انرژی خورشیدی یک نقطه ضعف ساده اما آزاردهنده دارد. وقتی خورشید نمیتابد، خورشید ناپدید میشود. حتی پیشرفتهترین سامانهها هم با این واقعیت دستوپنجه نرم میکنند. دانشمندان مدتهاست تلاش میکنند با ذخیره انرژی خورشیدی به صورت گرما، این مشکل را حل کنند؛ اما دستیابی به بازده بالا در این فرآیند دشوار بوده است.
بیشتر طرحها به روی هم چیدن مواد مختلف متکی هستند یکی برای جذب نور خورشید، دیگری برای ذخیره گرما و سپس دیگری برای محافظت از سیستم. این لایهها به طور یکپارچه کار نمیکنند و در هر مرزی انرژی هدر میدهند.
اکنون، محققان رویکرد بسیار متفاوتی را برای غلبه بر این مشکل اتخاذ کردهاند. به جای مونتاژ چندین قطعه، آنها چوب را به یک سیستم انرژی خورشیدی همه کاره تبدیل کردهاند.
آنها با طراحی مجدد ساختار داخلی آن در مقیاس نانو، مادهای ایجاد کردهاند که میتواند نور خورشید را جذب کند، آن را به صورت گرما ذخیره کند و حتی پس از خاموش شدن نور، به تولید برق ادامه دهد.
چوبی که از درون بازسازی شد
دانشمندان با چوب بالسا شروع کردند، نه به خاطر استحکام آن، بلکه به خاطر معماری و ساختار درونی آن. در زیر میکروسکوپ، چوب بالسا شبیه دستهای از میکرولولههای ریز همراستا به نظر میرسد که هر کدام حدود ۲۰ تا ۵۰ میکرومتر عرض دارند. این کانالها میتوانند گرما را هدایت و مواد را در خود نگه دارند.
با این حال، چوب خام نور خورشید را بازتاب میدهد و آب را جذب میکند؛ بنابراین محققان ابتدا مادهای به نام لیگنین (که به چوب رنگ و استحکام میبخشد) را از آن جدا کردند. این مرحله لیگنینزدایی، تخلخل را به بالای ۹۳ درصد افزایش داد و شبکهای متراکم از سطوح واکنشپذیر را در داخل کانالها نمایان کرد. این کار باعث شد چوب مانند یک اسفنج بسیار متخلخل شود.
سپس به جای سوزاندن چوب، سطوح داخلی آن را با مهندسی شیمیایی تغییر دادند. دیواره کانالها را با لایههای فوقنازک فسفر سیاه پوشاندند؛ این ماده نور خورشید را جذب و به گرما تبدیل میکند. فسفر سیاه در هوا زود خراب میشود، اما پژوهشگران هر نانوورقه را در یک لایه محافظ پیچیدند. این لایه مانند یک سپر عمل میکند و ماده حتی پس از ۱۵۰ روز قرارگرفتن در معرض نور خورشید، پایدار میماند.
یک سیستم ذخیرهسازی با دوام، کارآمد و ضد آب
سپس این گروه نانوذرات نقره را اضافه کردند که نحوه تعامل ماده با نور خورشید را تقویت میکنند. در نهایت، با اضافه کردن مادهای روی سطح چوب، موجب شد تا آن را به شدت ضد آب کنند. ساختار نهایی زاویه تماس ۱۵۳ درجه داشت، به این معنی که آب به راحتی میغلتد.
این سیستم حدود ۱۷۵ کیلوژول گرما در هر کیلوگرم ذخیره کرد، ۹۱.۲۷ درصد از نور خورشید ورودی را به گرمای قابل استفاده تبدیل کرد، گرما را تقریباً ۳.۹ برابر کارآمدتر در امتداد الیاف طبیعی چوب هدایت کرد و هنگامی که با یک ژنراتور ترموالکتریک جفت شد، تحت تابش استاندارد تک خورشیدی تا ۰.۶۵ ولت انرژی تولید کرد.
وقتی نور خورشید به این ماده میتابد، آن را گرم میکند و اسید استئاریک درون آن ذوب میشود. وقتی نور قطع میشود، گرمای ذخیرهشده بهتدریج آزاد میگردد و سامانه میتواند حتی پس از خاموششدن نور به تولید برق ادامه دهد؛ علاوه بر این، این ماده بسیار بادوام است به طوری که پس از ۱۰۰ بار ذوب و انجماد، عملکردش تقریباً تغییری نکرد. همچنین در برابر آتش مقاوم است و سطح آن از رشد باکتری جلوگیری میکند.
آینده ذخیره سازی خورشیدی با بهکارگیری از چوب
این روش، راهی ساده برای ساخت یک سامانه خورشیدی بسیار کارآمد ارائه میدهد. در اینجا، چوب فقط یک ساختار پشتیبان نیست؛ بلکه نور خورشید را جذب، گرما را ذخیره و از خود محافظت میکند.
علاوه بر این، این ایده میتواند فراتر از انرژی خورشیدی باشد و طرحهای مشابه ممکن است به مدیریت گرما در لوازم الکترونیکی، بهبود مصالح ساختمانی با بهرهوری انرژی را بهبود بخشند یا از سیستمهای برق کوچک برای مناطق دورافتاده کمک کند.
با این حال، این ایدهها هنوز به مرحله عمل نرسیدهاند؛ ابتدت، دانشمندان باید از عملکرد این سامانه در مقیاس بزرگ و با بازده انرژی مطلوب اطمینان حاصل نمایند.
شنبه 5 اردیبهشت 1405
