خلاقیت‌های علمی و تولید برق
از همان زمان كه توماس ادیسون برای نخستین بار لامپ روشنایی را با استفاده از جریان الكتریسیته روشن كرد، دستیابی به منابع پایدار تولیدكننده این انرژی یكی از موضوعات اصلی مورد توجه او و دانشمندان پس از او بوده است. البته در آن دوران و با توجه به پیشرفت‌های جسته و گریخته‌ای كه در زمینه دانش سدسازی و ساخت توربین‌های متنوع صورت می‌گرفت، دستیابی به منابع تولید برق چندان مایه نگرانی نبوده است، اما با گذشت زمان و افزایش خیره‌كننده جمعیت زمین و به دنبال آن رشد تصاعدی كاربران سیستم‌های مختلف الكتریكی و از آن مهمتر توسعه خیره‌كننده صنایع گوناگونی كه تنها با برق كار میكنند، موجبات نگرانی دانشمندان برای ارائه شیوه‌های نوین و اقتصادی‌تر تولید مستمر برق را فراهم كرده است. استفاده از سلول‌های خورشیدی، رویكرد مهم دانشمندان در چند دهه گذشته به عنوان راهكاری موثر برای تولید برق به روشی پاك و در عین حال مستمر بوده است. همچنین توربین‌های بادی در كنار توربین‌های نصب شده در سدها نیز شیوه‌ای قابل اطمینان برای تولید برق در سطح كلان بوده‌اند، اما حس كنجكاو و ماجراجوی بشر همواره راه را برای نوآوری در تمامی عرصه‌ها باز گذاشته است. شاید تا دیروز تولید برق با استفاده از سلول‌های خورشیدی راهكاری خلاقانه برای تولید و ذخیره‌سازی انرژی الكتریسیته بوده است اما امروز این تكنیك به عنوان راهكاری قدیمی شناخته می‌شود. در سال‌های اخیر صحبت راه رفتن روی سطوح خاص با هدف تولید مستمر برق است. از آن گذشته در سال‌های گذشته ابداعات جالب توجهی نیز در زمینه تولید برق با استفاده از سلول‌های خورشیدی صورت گرفته است. استفاده از آینه‌های مخصوص برای متمركز ساختن نور خورشید روی صفحات كه با هدف افزایش تولید برق خورشیدی صورت می‌گیرد از آن جمله است. اما این تازه آغاز یك ماجراجویی هیجان‌انگیز است چون به تازگی صحبت از استفاده از كایت‌ها برای تولید برق آن هم با توجیه اقتصادی مطرح شده است. برآوردها نشان می‌دهند اگر تنها 3/0 درصد از سطح صحرای سوزان ساهارا در آفریقا با سلول‌های خورشیدی پوشیده شود كل نیاز سراسر اروپا به انرژی الكتریكی برطرف می‌شود. پروژه Desertec Foundation كه ابتكار تحقیقاتی مشترك محققان آلمان و اردن است با هدف تحقق همین رویا آغاز به كار كرده است. محققان این شركت بر این باورند كه اگر این رقم به یك درصد برسد می‌توان تمام برق دنیا را تامین كرد. در راستای این پروژه برنامه‌های گسترده‌ای برای راه‌اندازی سلول‌های خورشیدی در سطح كلان طی 10 تا 15 سال آینده در شمال آفریقا ارائه شده است. پیشبینی دانشمندان بر این است كه در صورت عملی شدن این ایده بالغ بر یكصد گیگاوات برق خورشیدی تولید شود كه برای انتقال آن به اروپا و تامین برق مورد نیاز 15 درصد از سراسر این قاره، از كابل‌های قدرتمندی استفاده می‌شود كه زیر دریای مدیترانه خوابیده‌اند. البته برای تحقق قطعی این ایده به سرمایه‌گذاری كلانی درحدود 400 میلیارد دلار نیاز است كه عملا از عهده یك یا دو كشور خارج است. اما همان‌گونه كه گفته شد استفاده از صفحات خورشیدی برای تولید خلاقانه برق، شیوه جدیدی نیست. دانشمندان چندی است كه روی ایده منحصربه‌فردی همچون كایت‌های ویژه پرواز در ارتفاع بالا برای تولید برق كار میكنند. تا همین چند سال پیش این‌گونه برآورد می‌شد كه آسمان‌ها برای تولید برق به روش توربین‌های بادی محل چندان مناسبی به شمار نمی‌آیند، اما اكنون موتورهای ستونی ارائه شده‌اند كه در مایل‌ها بالاتر از سطح زمین قابلیت تولید برق از توربین‌های باید را دارند. نكته جالب توجه درباره این موتورها این است كه برخلاف سایر تكنیك‌های ارائه شده برای تولید برق كه با توجه به مختصات جغرافیایی با محدودیت‌های زیادی همراه هستند، هیچ محدودیتی در هیچ نقطه‌ای از دنیا برای به كار گرفته شدن ندارند. كن كالدیرا از دپارتمان اكولوژی جهانی انستیتو كارنگی در كالیفرنیا می‌گوید: در بادهایی كه در ارتفاعات بالا می‌وزد حجم خیره‌كننده‌ای از انرژی وجود دارد. این بادها در مقایسه با بادهایی كه در نزدیك به سطح زمین می‌وزند بسیار قدرتمندتر و در عین حال پایدارترند اما برای رسیدن به آن ارتفاعات باید كیلومترها بالا رفت. ارتفاع ایده‌آلی كه برای این منظور در نظر گرفته شده است بالغ بر 10 كیلومتر است. اما نكته حیرت‌آور این است كه اگر توربین‌های بادی كه در این ارتفاع راه‌اندازی می‌شوند تنها وسعتی بالغ بر 10 درصد سطح زمین را اشغال كنند، انرژی الكتریكی كه از بابت فعالیت آنها تولید می‌شود تا 100 برابر نیاز برق سراسر جهان را تامین می‌كند. جریان‌های بسیار شدید بادی كه در حد فاصل ارتفاع 6 تا 20 كیلومتری سطح زمین می‌وزند از قدرت خیره‌كننده‌ای برخوردارند. البته شدت این بادها بر اساس فصول مختلف سال با تغییراتی همراه هستند اما در كل به عنوان یكی از مشخصه‌های اصلی و همیشگی اتمسفر زمین محسوب می‌شوند. محاسبات مختلف دانشمندان نشان داده كه این بادها همواره پایدار هستند و در مقایسه با بادهایی كه در نزدیكی سطح زمین می‌وزند تا 10 بار سریعتر هستند. این ویژگی‌ها كافی است تا به این جریان‌های بادی به عنوان منبع قابل اطمینان و كلان انرژی نگاه شود. اما پرسش اساسی این است كه چگونه انرژی كلان نهفته در بادهایی كه در این ارتفاع می‌وزند را به دست آورد؟ پاسخ تنها این عبارت است: كایت‌ها و سیستم مهاركننده آنها. برآوردها نشان می‌دهند اگر تنها 3/0 درصد از سطح صحرای شمال آفریقا با سلول‌های خورشیدی پوشیده شود كل نیاز سراسر اروپا به انرژی الكتریكی برطرف می‌شود تاكنون طیف گسترده‌ای از فناوری‌ها برای به دام انداختن انرژی نهفته در بادهای مرتفع زمین مورد آزمایش قرار گرفته‌اند كه از آن جمله باید به توربین‌های كایتی شكلی اشاره كرد كه كیلومترها بالاتر از سطح زمین شناور هستند و به وسیله سیستم مهاركننده‌ای كنترل می‌شوند. در صورتی كه این ایده تحقق پیدا كند تا 40 مگاوات برق می‌توان در ارتفاعات بالای اتمسفر زمین تولید كرده و از طریق كابل‌های مهاركننده به زمین و نیروگاه‌ها منتقل كرد. در ماه‌های گذشته محققان با استفاده از داده‌های آب و هوایی 28 سال گذشته توانسته‌اند تا نخستین بررسی جهانی درباره انرژی باد در ارتفاعات بالا را انجام دهند. كریستینا آشر از دانشمندان علوم اتمسفریك در دانشگاه دولتی كالیفرنیا می‌گوید: ما دریافتهایم كه متراكمترین انرژی بادی در ارتفاعات بالا، بر فراز ژاپن، شرق چین، ساحل شرقی آمریكا، جنوب استرالیا و شمال شرق آفریقا وجود دارد. آشر ادامه می‌دهد: در چنین مناطقی به ازای هر مترمربع حدود 10كیلووات الكتریسیته تولید می‌شود. البته نمی‌توان چنین عددی را برای مناطق نزدیك به سطح زمین متصور شد، جایی كه حتی در بهترین شرایط معمولا كمتر از یك كیلووات برق به ازای هر مترمربع سطح، تولید می‌شود. اما در كدام نقاط دنیا می‌توان در ارتفاعات برق بیشتری تولید كرد؟ تجزیه و تحلیل‌ها نشان داده‌اند كه در ارتفاعات مناطقی نظیر توكیو، نیویورك، سائوپائولو، سئول و مكزیكوسیتی بیشترین انرژی را از جریان باد می‌توان به دست آورد. آشر در این باره نیز می‌گوید: در ارتفاعات شهری نظیر نیویورك به ازای هر مترمربع 16 كیلووات برق از جریان باد تولید می‌شود كه حقیقتا فرآیندی امیدواركننده است. اما اكنون یك مساله جدید مطرح می‌شود. تحقق چنین ایده‌ای، آن هم در ابعاد بسیار وسیع ممكن است به ایجاد تغییراتی در الگوهای چرخشی هوای اطراف زمین منجر شود و در نتیجه بر شرایط منطقه‌ای و محلی زمین تاثیرگذار شوند. دانشمندان با انجام شبیه‌سازی‌های مختلف به این نتیجه رسیده‌اند اگر چنین توربین‌هایی در سطح بسیار وسیع در ارتفاعات به كار گرفته شوند، در حكم پوشش وسیعی عمل میكنند كه در نهایت موجب سرمایش نسبی زمین می‌شوند و این نتیجه‌ای ندارد جز افزایش ضخامت یخ‌های در حال آب شدن زمین كه می‌تواند خبر خوشی برای دانشمندان و مردم جهان باشد. در كل اطمینان خاطری برای دانشمندان ایجاد شده است كه اگر توسعه این فناوری تنها متناسب با میزان تقاضای جهانی صورت گیرد و نه بیشتر، تا 70 سال آینده هیچ تاثیر قابل توجهی بر اوضاع جوی زمین ایجاد نخواهد شد. گرچه این ایده كه در آستانه تبدیل شدن به یك پروژه عظیم علمی قرار دارد در نوع خود خیز بلندی به سوی حل بحران انرژی در دنیا محسوب می‌شود، اما باید پذیرفت این پروژه و ایده‌هایی همچون آن به تنهایی نیاز آینده بشر به انرژی و برق را تامین نمی‌كنند. استفاده از نانوذرات در تولید برق
محققان به تازگی موفق شده‌اند تا از گرام اما به روشی تازه انرژی الكتریسیته تولید كنند. این تكنیك نوین به وسیله به دام انداختن مولكول‌های ارگانیكی میان نانوذرات فلزی صورت می‌گیرد. دانشمندان این یافته را راهی نوین برای طراحی و ساخت یخچال‌های ارزانقیمت و در نهایت دستیابی به منبعی با راندمان بالا در تولید انرژی عنوان میكنند. در حال حاضر حدود 90 درصد الكتریسیته دنیا به وسیله سوزاندن سوخت‌های فسیلی تولید می‌شود. در این فرآیند گرمای زیادی تولید می‌شود كه غالبا به شكل بخار است. این بخار توربینی را می‌چرخاند كه به واسطه آن ژنراتوری برای تولید برق به كار می‌افتد، اما این روش یك تكنیك غیرمستقیم محسوب می‌شود و در این فرآیند مقدار زیادی گرما تلف می‌شود و البته به دنبال آن انرژی قابل توجهی نیز فرار می‌كند! محققان دانشگاه كالیفرنیا در بركلی می‌گویند: برای تولید یك وات انرژی به حدود 3 وات حرارت ورودی نیاز است كه البته نسبت چندان جالب توجهی به شمار نمی‌آید. 50 سال است كه دانشمندان در تلاشند شیوه‌ای مناسب برای استفاده از این حرارت تلف شده ارائه كنند. آنها به این نتیجه رسیده‌اند كه حتی اگر كسر بسیار كمی از این حرارت تلف شده به انرژی الكتریسیته تبدیل شود باید آن را پیروزی بزرگی در كاهش استفاده از سوخت‌های فسیلی به شمار آورد، اما مشكل اینجاست كه دمای حرارتی كه در این فرآیند آزاد می‌شود برای به كار گرفته شدن در موتورهای حرارتی سنتی بسیار كم است، بنابراین محققان در مدت‌ها پیش كار روی طراحی و تولید مبدل‌های ترموالكتریكی را برای تبدیل این حرارت به الكتریسیته آن هم به شیوه‌ای مستقیم‌تر آغاز كرده‌اند. این مبدل‌ها بر مبنای پدیده‌ای موسوم به تاثیر Seebeck عمل میكنند: هنگامی كه محل اتصال دو فلز در دماهای متفاوتی نگاه داشته می‌شوند، تفاوت دمایی موجب می‌شود كه این دو فلز واكنش‌های متفاوتی از خود نشان دهند كه در نتیجه ولتاژ خاصی تولید می‌شود، اما چنین مبدل‌هایی در مقایسه با موتورهای حرارتی سنتی از راندمان كاری كمتری برخوردارند و اساس كار آنها نیز بر استفاده از فلزات گرانقیمت و كمیاب بوده كه همین ویژگی‌ها آنها را برای استفاده كلان غیركاربردی می‌كند. در مطالعه‌ای جدید، گروهی از دانشمندان دست به ابتكار جالبی زده‌اند و با پوشاندن الكترودهایی از جنس طلا با 3 نوع مولكول ارگانیكی متفاوت امكان تولید ولتاژ خاصی را فراهم میكنند. این برای نخستین بار است كه تاثیر Seebeck در مولكول‌های ارگانیكی دیده می‌شود. گرچه این ولتاژ تنها در تك‌‌مولكول‌ها دیده شده است، اما محققان در نظر دارند تا این فرآیند را در چند مولكولی‌ها نیز عملی كنند. استفاده گسترده از مبدل‌های ترموالكتریكی در صورت بهره‌گیری از مواد ارگانیك در عین حال كه ساده‌تر خواهد بود، راندمان كاری بالاتری نیز همراه دارد زیرا این نوع مواد هم ارزان هستند و هم به مقدار فراوان در طبیعت وجود دارند و از آن مهمتر این‌كه به آسانی نیز قابل پردازش هستند. (گرچه در این مطالعه از الكترودهای طلا استفاده شده است، اما در آینده برای كاربردی شدن این فناوری نوین از الكترودهای سیلیكونی یا آهنی استفاده خواهد شد.) این محققان بر این باورند كه استفاده از مولكول‌های ارگانیكی ارزانقیمت و نانوذرات فلزی راهكار موثری برای طراحی و تولید نسل آتی یخچال‌ها و ژنراتورهای برقی پلاستیك و ارزانقیمت است. البته محققان بر این نكته نیز تاكید دارند كه همه چیز هنوز در مراحل ابتدایی خود قرار دارد، اما نسبت به آینده بسیار خوشبین هستند. در كنار تلاش‌هایی از این دست محققانی در آمریكا فناوری نوینی را برای تولید برق ارائه كرده‌اند كه مبنای تولید این انرژی در آن صرفا به حركات بالا و پایین رفتن فرد به هنگام پیاده‌روی مربوط می‌شود. فناوری ابداعی این محققان یك كوله‌پشتی منحصربه‌فرد است كه جنبش‌های معمولی فرد در زمان راه رفتن را به انرژی الكتریكی تبدیل می‌كند. این دستگاه قابلیت تولید 4/7 وات برق را داشته و به جهت شكل خاصی كه دارد از سوی گروه‌های مختلف همچون دانشمندان و محققان میدانی، كارگران و سربازان به كار گرفته خواهد شد. كاربری كه به این كوله‌پشتی مخصوص مجهز باشد می‌تواند بدون نیاز به حمل دستگاه‌های حجیم و باتری‌های سنگین، سیستم‌هایی نظیر تلفن همراه، تجهیزات سیستم موقعیت‌یاب جهانی و دستگاه‌های مشابه را شارژ كند. لارنس رام از دانشگاه پنسیلوانیا می‌گوید: برای نخستین بار در جهان است كه مقادیر قابل توجهی از انرژی الكتریسیته را از حركات معمولی بدن انسان تولید كرده‌ایم. نكته مهم این است كه تلاش‌های قبلی برای تولید الكتریسیته از راه رفتن مبتنی بر دستگاه‌هایی بوده‌اند كه در كفش كاربر جاسازی می‌شدند، اما این تكنیك تنها به تولید 20 میلی‌وات برق منجر می‌شده است كه در مقایسه با سرمایه‌گذاری‌های صورت گرفته بسیار ناچیز است. در این میان همواره مشكلی وجود داشته است. گرچه هنگامی كه این كفش‌ها با زمین برخورد میكنند، نیروی قابل توجهی وارد می‌شود، اما كار مكانیكی كم و حتی قابل چشمپوشی صورت می‌گیرد و این همه به دلیل فاصله بسیار كمی است كه گام‌ها یكی پس از دیگری گذاشته می‌شوند. محققان برای غلبه بر این مشكل به این تتیجه رسیدند كه تمركز روی مفصل ران در زمان راه رفتن می‌تواند پاسخی مناسب برای این مشكل باشد چون در این زمان قسمت بالای ران بین 5 تا 7 سانتی‌متر جابه‌جا می‌شود و به گفته لارنس زمانی كه دستگاهی همچون این كوله‌پشتی به همراه فرد باشد، آن نیز با هر قدم فرد به همین میزان بالا و پایین می‌رود. تیم تحقیقاتی این پروژه محاسبه كرده است كه این تكنیك با تولید كار مكانیكی قابل توجهی آن هم در حدود 18 ژول همراه است كه در ادامه به الكتریسیته تبدیل می‌شود.
منبع: www.jamejamonline.irمهدی كیا
تبلیغات 
