قام مختبر علوم النانو وتكنولوجيا الطاقة (LNET) في كلية الهندسة التابعة لمدرسة الفنون التطبيقية الفيدرالية في لوزان في سويسرا مؤخرًا بتطوير جهاز تجريبي لتوليد الطاقة النانوية يمكنه توليد تيار مستقر بشكل مستمر باستخدام عملية تبخر مياه البحر. يستخدم هذا الجهاز أشباه الموصلات السيليكونية كنواة له ويحقق توليد الطاقة بشكل مستقل عن طريق تنظيم حركة الأيونات والإلكترونات ودفع تبخر مياه البحر بمساعدة الضوء والحرارة. ويقول الباحثون إنه من المتوقع أن تفتح هذه الآلية مسارات جديدة لتكنولوجيا حصاد الطاقة الصديقة للبيئة. وقد تم نشر النتائج ذات الصلة في مجلة Nature Communications.
في ورقتهم، اقترحت جوليا تاجليابو، قائدة فريق البحث، وطارق أنور، الباحث، "إطارًا فيزيائيًا وتجريبيًا موحدًا" للأنظمة الكهرومائية التي تعتمد على التبخر. يكمن المفتاح في فصل عملية الواجهة والتحكم فيها بدقة. تشير عملية الواجهة هنا إلى التفاعل بين حالات الطور المختلفة مثل الحالة الصلبة والسائلة والغازية السائلة وغيرها. ويأمل فريق البحث في استخدام هذا الإطار لتحويل عملية التبخر إلى مخرجات طاقة كهربائية بكفاءة أكبر بمشاركة ضوء الشمس والطاقة الحرارية.
تعتمد هذه التقنية على الأبحاث السابقة التي أجرتها LNET حول "التأثير الكهرومائي". ويعني ما يسمى بالتأثير الهيدروفولطي أنه عندما يتدفق السائل عبر سطح الأجهزة النانوية المشحونة، فإنه يمكن أن يحفز توليد الطاقة الكهربائية. يستخدم الجهاز الجديد أيضًا الفجوات الصغيرة بين أعمدة السيليكون النانوية المرتبة بشكل سداسي لتعزيز تبخر السائل وتوجيه حركة الأيونات في مياه البحر في هذه العملية. وأشار الباحثون إلى أن الحرارة والضوء سيؤثران دائمًا على أداء الأجهزة الكهرومائية، واختراقهم هذه المرة هو تحويل هذه التأثيرات التي لا يمكن تجنبها في الأصل إلى مزايا أداء لأول مرة، وذلك باستخدام مياه البحر التي لا تنضب والصديقة للبيئة نسبيًا كوسيلة للطاقة.
كان الإنجاز المفاهيمي المهم في البحث هو اكتشاف الفريق أن توليد الطاقة المعزز لم يكن ببساطة نتيجة التبخر نفسه. ولأن الجهاز يستخدم مادة السيليكون شبه الموصلة، فإن الحرارة تزيد الشحنة السالبة على سطح شبه الموصل، بينما يحفز ضوء الشمس النشاط الإلكتروني داخله. وبعبارة أخرى، فإن التبخر والتأثيرات الحرارية وتأثيرات الضوء ليست مستقلة عن بعضها البعض، ولكنها تشكل تأثيرًا تآزريًا في الجهاز لتعزيز تحسين كفاءة توليد الطاقة بشكل مشترك.
وفقًا لفريق البحث، فإن المكاسب الناتجة عن تأثير الشحنة السطحية كبيرة جدًا. ومن خلال إدخال ضوء الشمس والحرارة، يمكن زيادة إنتاج الطاقة للجهاز بما يصل إلى خمس مرات. وقال تاجليابو إن هذا التأثير الطبيعي كان موجودًا دائمًا، لكنهم أول الباحثين الذين استغلوه فعليًا.
من وجهة نظر التصميم الهيكلي، فإن جهاز توليد طاقة التبخر هذا يعتمد بنية ثلاثية الطبقات، تتوافق مع العمليات المستقلة الثلاثة للتبخر، نقل الأيونات وجمع الشحنة. الجزء العلوي هو الطبقة السطحية للتبخر، والطبقة الوسطى هي المسؤولة عن التوصيل الأيوني، والجزء السفلي هو مصفوفة السيليكون النانوية العازلة. مثل هذا التصميم متعدد الطبقات لا يساعد الباحثين على تحليل ومعايرة العملية ونتائج كل مرحلة بشكل تدريجي فحسب، بل يعمل أيضًا على تحسين أداء توليد الطاقة الإجمالي للجهاز ويكشف بشكل أكثر وضوحًا كيف تحفز الحرارة والضوء توليد الشحنات وتعزز هجرة الأيونات.
بالإضافة إلى قدرات توليد الطاقة، توفر هذه التقنية أيضًا مزايا واضحة من حيث المتانة. وأشار الباحثون إلى أن الحرارة والضوء يمكن أن يتسببا في تدهور الآلية الكهرومائية، كما أن مشاكل التآكل في البيئات عالية الملوحة يمكن أن تؤدي إلى تفاقم هذه العملية. ومع ذلك، فإن سطح أعمدة السيليكون النانوية في الجهاز مغطى بطبقة من الأكسيد تظل ثابتة تحت الضوء والحرارة، وبالتالي تجنب التفاعلات الكيميائية غير الضرورية وتحسين موثوقية الجهاز في بيئات مياه البحر.
وقال فريق البحث إنه إذا سارت التكرارات اللاحقة على ما يرام، فمن المتوقع أن يوفر هذا النوع من الأجهزة الكهرومائية دعمًا مستمرًا وتلقائيًا للطاقة لمختلف شبكات الاستشعار الصغيرة الخالية من البطاريات في المستقبل، طالما توفر ضوء الشمس والحرارة والماء للتشغيل. تتضمن سيناريوهات التطبيق المحتملة أنظمة المراقبة البيئية، وأجهزة إنترنت الأشياء، والتقنيات القابلة للارتداء الحالية والمستقبلية. ويعتقد الباحثون أنه إذا أمكن وضع طريقة متنقلة و"مجانية" تقريبا للحصول على الكهرباء موضع الاستخدام العملي، فإن القيمة الاجتماعية التي ستجلبها ستكون لا تقدر بثمن.