الهيدروفولتية – استخراج الكهرباء من التبخر

أظهرت أبحاث جديدة أن الأجهزة النانوية يمكن استخدامها لاستخلاص الكهرباء من تبخر السوائل، كاشفةً عن إمكانات طاقة هائلة لم تُستغل بعد بشكل صحيح.

التبخر هو عملية طبيعية. ببساطة، هو شكل من أشكال التبخر يحدث على سطح السائل عندما يتحول إلى غاز. هو موجود حولنا جميعًا، لكننا لا نولي له اهتمامًا كبيرًا.

ومن المثير للاهتمام، أن حوالي نصف الـالطاقة الشمسية التي تصل إلى الأرض تدفع عمليات التبخر. التبخر، الذي يتيح تبادلًا مستمرًا للطاقة في دورة المياه العالمية، هو مصدر طاقة متجدد لا يزال غير مستغل حاليًا، وفقًا للدراسة.

الماء، المتوفر بوفرة لأنه يغطي أكثر من 70٪ من سطح كوكبنا، يحتوي على أطنان من الطاقة في شكل طاقة كيميائية، حرارية، وحركية، لكن القليل منها يُستغل. عندما نتحدث عن إجمالي إمكانات توليد الطاقة من التبخر الطبيعي للبحيرات والخزانات، فإن الولايات المتحدة وحدها تملك إمكانات توليد طاقة تُقدّر بـ 325 غيغاواط. وهذا يمثل أكثر من 69٪ من معدل إنتاج الطاقة الكهربائية في الولايات المتحدة عام 2015، وفقًا للدراسة.

لذلك، على مدى السنوات العديدة الماضية، عمل الباحثون على استغلال إمكانات طاقة التبخر. يتم استكشاف ذلك من خلال العديد من الأجهزة، مثل المولدات ذاتية الطاقة، الأنظمة الهجينة، والأجهزة المتتالية. جذب البحث على مر السنين الكثير من الانتباه إلى الأجهزة الهيدروفولتية المدفوعة بالتبخر، خاصةً مع التقدم في المواد النانوية وتكنولوجيا النانو.

لهذا، دعونا نتعرف على تأثير HV، الذي يسمح للمواد النانوية بتوليد الكهرباء عند تفاعلها مع الماء. يمكن أن يكون الماء هنا أي شيء من قطرات، رطوبة، سائل إلى تبخر. لذا، في تأثير HV، ينتج التبخر تدفقًا ثابتًا داخل القنوات النانوية داخل هذه الأجهزة. يُلاحظ هذا التأثير أيضًا في القنوات الدقيقة للنباتات، حيث يحدث نقل الماء نتيجةً لت kombinatio من ضغط الشعرية والتبخر الطبيعي.

تُعَدّ أربع آليات هي المسؤولة أساسًا عن هذا التأثير HV: التدفق، التدفق الزائف، انتشار تدرج الأيونات، وتأثير سحب الإلكترون. قد يوسّع التأثير الهيدروفولتية القدرة التقنية على استخراج طاقة الماء ويمكّن من إنشاء أجهزة ذاتية الطاقة.

الآن، حصل الباحثون في الجامعة العامة السويسرية EPFL (المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في لوزان) على دعم تمويلي من المؤسسة السويسرية للعلوم الوطنية (SNSF) عبر صندوق التعاون العلمي والتقني الكوري-السويسري ومنحة التميز الحكومية السويسرية. وتشارك مرافق EPFL التجريبية، المركز متعدد التخصصات للمجهر الإلكتروني (CIME) ومركز التقنية الدقيقة والنانوية (CMi)، أيضًا في استخراج الطاقة من تبخر السوائل التي تحتوي على تركيزات أعلى من الأيونات مقارنةً بالماء المنقّى.

الحقيقة هي أن الأجهزة الهيدروفولتية موجودة بالفعل، إلا أن القليل معروف عن الظواهر الفيزيائية التي تحكم إنتاج HV على المستوى النانوي. كما أن هناك نقصًا في الفهم الوظيفي للظروف، وهو ما يهدف هذا الدراسة إلى تصحيحه.

نُشرت في وقت سابق من هذا الشهر في مجلة Cell Press Device، الـالدراسة من مختبر علوم النانو لتقنية الطاقة (LNET) المسمى “ظواهر الواجهة المعتمدة على الملوحة نحو تحسين الجهاز الهيدروفولتية” أجراها Giulia Tagliabue و Tarique Anwar.

جرّبت الدراسة نمذجة متعددة الفيزياء لتحديد تدفقات السوائل، وتدفقات الأيونات، وتأثيرات الكهروستاتيكية الناتجة عن التفاعلات الصلبة-السائلة، بهدف تحسين أجهزة HV.

وفقًا لتاجليابوي، رئيسة LNET في كلية الهندسة، هذه هي الدراسة الأولى التي تُكمِّن الظواهر الهيدروفولتية بفضل منصتهم الجديدة والمتحكم فيها بدقة. تُقاس هذه الظواهر الهيدروفولتية من خلال إبراز أهمية التفاعلات الواجهة المتنوعة.

خلال هذه العملية، اكتشف الفريق نتيجة هامة تتعلق بقدرة الأجهزة الهيدروفولتية على العمل عبر نطاق واسع من الملوحات. وأشارت تاجليابوي إلى أن ذلك يتعارض مع الاعتقاد السابق بأن الماء المنقّى للغاية ضروري لتحقيق الأداء الأمثل.

نموذج متعدد الفيزياء

مؤخرًا، أدت دراسات تدفق السوائل المدفوع بالتبخر في المواد الميكرومنظمة على المستوى النانوي إلى ظهور طريقة جديدة لـ توليد الطاقة المتجددة أو الخضراء، وهي عن طريق تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية عبر مسار كهروميكانيكي. التحسينات المتعلقة بالأداء هنا تقودها تحسينات اتصالات الأقطاب الكهربائية.

ومع ذلك، فإن نقص أدوات النمذجة والأسئلة المتعلقة بالخصائص الهندسية والكيميائية للنظام يحد من كل من الأداء ونطاق التطبيقات لهذه التقنية الناشئة، الأجهزة الهيدروفولتية (HV)، لتوليد الطاقة المستدامة.

لذلك، طور الباحثون نموذجًا كميًا متعدد الفيزياء واستفادوا من مصفوفات مرتبة من أعمدة سيليكون نانوية (Si NPs) التي جلبت إلى السطح ما كان غير مستكشف سابقًا. ولاحظت الدراسة أن الشحنة السطحية، التي تعتمد على تركيز الأيونات إلى جانب حركة الأيونات، هي ما يوجه عدة أقصى محلية في جهد الدائرة المفتوحة (VOC)، مع ظروف مثالية تختلف عن التوقعات التقليدية للتركيز المنخفض.

علاوة على ذلك، يمكن للتماثلات الهيكلية أن تولد جهدًا كهروستاتيكيًا يعزز أداء HV. بالإضافة إلى ذلك، تؤكد الدراسة امتصاص الأيونات وعكس الشحنة للعديد من الكاتيونات أحادية التكافؤ، مما يسمح لهذه الأجهزة بالعمل حتى عند تركيزات عالية.

يتكون الجهاز HV الذي طوره فريق البحث من مصفوفات منتظمة بمقاس سنتيمتر من أعمدة سيليكون نانوية محفورة على رقاقة سيليكون من النوع p. استخدم الفريق بعد ذلك مزيجًا من الليثوغرافيا الغروية والنقش الكيميائي المدعوم بالمعادن (MACE) لتثبيت تباعد المصفوفة السداسية الأضلاع للأعمدة مع تعديل طولها وقطرها في النطاق من 1.23 إلى 4.4 ميكرومتر و420 إلى 560 نانومتر على التوالي. من خلال تغيير أبعاد أعمدة سيليكون النانوية، تمكنوا من التحكم مباشرة في هندسة القناة النانوية ومساحة السطح الصلب-السائل حسب الحاجة.

يمثل الجهاز الهيدروفولتية في هذه الدراسة أول تطبيق لتقنية الليثوغرافيا الغروية النانوية، مما أتاح للباحثين تشكيل شبكة سداسية من أعمدة سيليكون نانوية متباعدة بدقة. خلقت الفراغات بين هذه الأعمدة النانوية مسارًا مثاليًا لتبخر السوائل. يمكن ضبط ذلك بدقة لفهم أفضل لتأثيرات حجز السوائل ومساحة التلامس الصلب/السائل.

شرح أنوار، طالب دكتوراه في LNET، أن معظم الأنظمة السائلة ذات المحاليل المالحة تحتوي على عدد متساوٍ من الأيونات الموجبة والسالبة. ولكن من خلال حجز السائل داخل قناة نانوية، يمكننا الحصول فقط على تلك “الأيونات ذات القطبية المعاكسة لشحنة السطح”. لذا، من خلال السماح للسوائل بالتدفق عبر القناة النانوية، يمكننا توليد التيار والجهد، أضاف ذلك.

يتطلب فهم الآليات الأساسية لتوليد الجهد والتيار في أجهزة HV التحكم في خصائص واجهة الصلب-السائل وحجز السائل على المستوى النانوي، وهو هندسة القناة النانوية.

في الختام، أظهرت الدراسة كثافة قدرة عالية تبلغ 8 ميكروواط/سم² عند تركيز 0.1 م، باستخدام مخرج طاقة مماثل لأجهزة تشغيلها بالمياه الصالحة للشرب ولكن مع “تركيزات أعلى بمرتبتين من القوة” مقارنةً بما تم الإبلاغ عنه من قبل. يفتح هذا الطريق لتطبيق أوسع لأنظمة HV عبر مقاييس الملوحة، مع تحديد ظروف التشغيل المثلى بناءً على الظواهر الواجهة المتميزة.

كما أوضحت تاجليابوي، يمكن استغلال التوازن الكيميائي لشحنة سطح الجهاز النانوي لتوسيع تشغيل أجهزة HV عبر مقياس الملوحة. لذا، كلما ارتفع تركيز أيونات السائل، ارتفعت شحنة سطح الجهاز النانوي أيضًا، مما يسمح لنا بـ “استخدام قنوات سائلة أكبر مع العمل على سوائل ذات تركيزات أعلى. هذا يجعل من الأسهل تصنيع أجهزة للاستخدام مع مياه الصنبور أو مياه البحر، بدلاً من الماء المنقّى فقط”، وفقًا لتاجليابوي.

بهذه الطريقة، تجادل الدراسة بأنها تقدم رؤى رئيسية وأداة تصميم لتحسين الأجهزة الهيدروفولتية المدفوعة بالتبخر (EDHV)، مع الإشارة إلى فرص تطبيق أوسع لهذه الأنظمة ذاتية الطاقة.

تشير الدراسة إلى أن مقياس الأداء لجهد الدائرة المفتوحة (VOC) يمكن تعزيزه من خلال تحسين معدل التبخر. اعتمادًا على شحنة السطح وهندسة حجز النانو، يمكن مضاعفة VOC بزيادة معدل التبخر بمقدار 5 أضعاف، مما يعني أن القدرة يمكن أن تزداد حتى أربعة أضعاف.

هذا يرجع أساسًا إلى تعزيز التيار المتدفق، لكنه سيتطلب معرفة أعمق بديناميكيات السوائل في هذه الأجهزة لتأكيد ذلك.

تطبيقات محتملة مثيرة للأجهزة الهيدروفولتية

بخار الماء موجود في كل مكان على الأرض، مما يوفر فرصة كبيرة، خاصةً لتوليد الكهرباء وتخفيف نقص الطاقة العالمية. لهذا، يمكن استخدام الأجهزة الهيدروفولتية لاستخلاص الطاقة بطرق مختلفة، مثل بناء هيكل غير متماثل.

مع ذلك، يعتمد توليد الطاقة على خصائص السائل، بما في ذلك نوعه وتركيز المذاب في المحلول. ذلك لأن إنشاء الطاقة الكهربائية في تأثير HV مرتبط بتراكم حاملي الشحنة نتيجة تكوين طبقة مزدوجة كهربائية (EDL) على واجهة السائل-الصلب.

على الرغم من هذه التحديات، تمتلك الأجهزة الهيدروفولتية إمكانات هائلة بفضل التبخر المستمر عبر نطاق واسع من درجات الحرارة والرطوبة. يجعل ذلك أجهزة HV جاهزة للعديد من التطبيقات المثيرة، بما في ذلك إمداد الطاقة، توليد الطاقة في جميع الأحوال الجوية، وجمع المياه وتحلية المياه.

وجدت الدراسة أنه في ظروف المياه العذبة، يُعد تداخل طبقة EDL شرطًا يمكن تحقيقه تحت شحنة سطحية إجمالية منخفضة وحجز نانوي عالي، أي حجم قناة نانوية صغير. ومع ذلك، فإن زيادة مساحة السطح أو الشحنة تجعل أحجام القنوات النانوية الأكبر قابلة للتطبيق.

في ظروف مياه البحر، يمكن إنشاء حالة مثالية عند قطر مسام كبير (قيمة Dp >100 نانومتر) من خلال التحكم في شحنة السطح، مما يشير إلى أن حجزًا هندسيًا على مقياس النانومتر يمكن تجنبه، مما يسهل توسيع نطاق هذه الأجهزة.

في الوقت نفسه، عند مستويات ملوحة عالية، يمكن استخدام عكس الشحنة من خلال تقليل واجهة الصلب-السائل والشحنة السطحية الأولية. ومع ذلك، قد يكون التشغيل عند هذه التركيزات العالية وعلى المدى الطويل تحديًا بسبب امتصاص الأيونات وتبلور الملح. يرجع ذلك إلى تأثيره المباشر على خصائص السطح وهندسة النانو. لذا كتب الباحثون أنه يلزم مزيد من التحقيق.

يأمل باحثو الدراسة أيضًا في استكشاف الإمكانات المتنوعة للجهاز، بدعم من المنظمات التي منحتهم المنح، لفهم وتحليل هذه التقنية الناشئة.

إحدى المنظمات الداعمة، المؤسسة السويسرية للعلوم الوطنية (SNSF)، التي تكلفها الحكومة الفدرالية، تهدف إلى استغلال الطاقة من التبخر وتطوير “نموذج جديد تمامًا لاستعادة حرارة النفايات وتوليد الطاقة المتجددة على المستويات الكبيرة والصغيرة”. يشمل ذلك وحدة نموذجية في مواقف واقعية على أكبر بحيرة في وسط أوروبا، بحيرة جنيف، لجمع بيانات حول توليد الطاقة الهيدروفولتية في البحيرات الألبية.

تدعم SNSF مشاريع متعلقة بالطاقة منذ سنوات عديدة للمساهمة في تطوير المعرفة والخبرة للاستخدام المستقبلي. تغطي هذه المشاريع إنتاج الطاقة، التخزين، التوزيع والإدارة، والكفاءة.

حصلت تاجليابوي على منحة البداية من SNSF في عام 2022، والتي تُقدَّم بمبلغ 1.8 مليون فرنك سويسري على مدى خمس سنوات. تساعد هذه التمويلات الفريق على “توسيع جهودنا نحو الهندسة النانوية للأجهزة الهيدروفولتية لتوليد الطاقة المتجددة”، حسب قول تاجليابوي.

قالت في ذلك الوقت:

“من خلال إرساء الفهم الأساسي الضروري، وأدوات النمذجة، واستراتيجيات الهندسة، سيقدم هذا المشروع مساهمة ثورية نحو جعل التبخر مصدرًا واسع الانتشار، آمنًا، ومستمرًا للطاقة المتجددة على المستويين الكبير والصغير.”

توفر أجهزة HV فرصة كبيرة، وبما أنها يمكن أن تعمل في أي مكان يوجد فيه سائل، حتى العرق، فإنها تحمل أيضًا إمكانات للاستخدام في المستشعرات. وهذا يشمل كل شيء من الأجهزة القابلة للارتداء للصحة واللياقة إلى التلفزيونات الذكية.

تتطلع تاجليابوي أيضًا إلى فهم مدى إمكانية استخدام الضوء وتأثيرات الفوتوحرارية (المتعلقة بالإشعاع الكهرومغناطيسي) للتحكم في شحنات السطح ومعدلات التبخر في أنظمة HV.

أخيرًا، يرى الباحثون تكافلًا بين أنظمة HV وتوليد المياه النظيفة، حيث أشار أنوار إلى كيفية استخدام التبخر الطبيعي في عمليات التحلية. إذ يسمح تكثيف البخار الناتج عن سطح تبخيري بجمع مياه عذبة من مياه مالحة.

“الآن، يمكنك تخيل استخدام نظام HV لإنتاج مياه نظيفة واستخلاص الكهرباء في الوقت نفسه.”

– أنوار

الخلاصة

مع تزايد مشاكل الطاقة والبيئة باستمرار، هناك حاجة إلى حلول فعّالة، مرنة، وصديقة للبيئة. هنا، يمكن للأجهزة الهيدروفولتية أن تكون مفيدة للغاية حيث تولد الطاقة الكهربائية باستخدام تبخر الماء المتوفر في كل مكان.

ومع ذلك، لا يأتي هذا الابتكار دون تحدياته. تتجلى في قدرة الطاقة المولدة التي لا تلبي متطلبات التطبيقات العملية، والشكوك حول الاستقرار والمتانة في الظروف الواقعية، والعقبات في تحقيق تطبيقات متكاملة على نطاق واسع. على الرغم من هذه العقبات، لا يزال التكنولوجيا والبحث في المواد والأجهزة الهيدروفولتية في مراحله الأولى، وهناك حاجة إلى تقنيات أكثر تقدمًا ومزيد من البحث لاستخدامها على نطاق واسع.

ببساطة، تمتلك الأجهزة الهيدروفولتية مزايا كبيرة لا يمكن تجاهلها. بالمقارنة مع الحلول المعقدة، المكلفة، والضارة بالبيئة، تقدم هذه طريقة جديدة وواعدة لتوليد الطاقة في المستقبل. ومع مرور الوقت، من المتوقع أن تنمو الأجهزة الهيدروفولتية لتصبح صناعة قابلة للحياة وواسعة النطاق.

انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل عشرة أسهم للطاقة المتجددة للاستثمار فيها.