الطاقة
المولدات النانوية الاحتكاكية: حبيبات البلاستيك تُشغّل التقنية القابلة للارتداء
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
قامت فريق دولي من المهندسين مؤخرًا بإظهار نمط جديد من المولدات النانوية الاحتكاكية (TENGs) يحسن إنتاج الطاقة ويقلل من تكاليف التصنيع. تشير عملية الاحتكاك الكهربائي إلى استغلال الكهرباء التي تُنتجها الشحنة الساكنة. يمكن أن يصبح هذا المصدر النظيف والمتاح بسهولة للطاقة مفتاحًا لمستقبل أكثر خضرة.
مع تزايد الجهود لتحقيق صافي انبعاثات كربونية صفرية على مستوى عالمي، تم توجيه الكثير من الاهتمام نحو إنشاء بدائل طاقة خضراء. وعلى وجه الخصوص، تحظى الابتكارات في توليد الطاقة الشمسية والرياح والطاقة الحرارية الأرضية بأكبر قدر من العناوين، بينما تستمر طرق أخرى مثل الاحتكاك الكهربائي في اكتساب الزخم. إليكم كيف يمكن لهذه التقنية في المستقبل أن تُنشئ أجهزة قابلة للارتداء محسّنة، وتولّد طاقة متجددة، وتفتح الباب أمام عمليات أكثر أمانًا.
المولدات النانوية الاحتكاكية (TENGs)
تستفيد المولدات النانوية الاحتكاكية من الشحنة الساكنة التي تُولد عندما تُفرك المواد معًا. عندما تتلامس أسطح مواد معينة مع مواد محددة، تُنتج شحنة. يمكن تعزيز هذه الشحنة الساكنة، مما يتيح توليدًا كهربائيًا موثوقًا.
ومن الجدير بالذكر أن المولدات الحالية تعتمد على حبيبات صغيرة شبيهة بالبلاستيك. هذه الحبيبات المعبأة بإحكام تحمل شحنات مختلفة، بعضها سالب وبعضها موجب. عند فركها معًا، يتعاون الاحتكاك والالتصاق والانفصال لخلق تلامس سطحي إضافي، مما يسمح لهذه المولدات بزيادة الإنتاج إلى الحد الأقصى.
مشكلات المولدات النانوية الاحتكاكية اليوم
لا تزال هناك عدة أسئلة ومشكلات دون إجابة يحتاج المهندسون إلى تجاوزها لجعل المولدات النانوية الاحتكاكية بديلاً موثوقًا لحلول الطاقة الخضراء الأخرى. أولاً، هناك نقص في الفهم حول تبديد الشحنة وأفضل طريقة للتحكم فيها. يجب سد هذه الفجوة المعرفية لتحسين أداء ومصداقية TENGs في المستقبل.
المصدر – إغنااس جيميدار
حتى وقت قريب، كان يُعتقد أن الاحتكاك الكهربائي يتطلب استخدام مواد مختلفة في المولد النانوي. على سبيل المثال، ثبت أن بولي تترافلوإيثيلين وبوليديميثيل سيليكون خياران موثوقان. ومع ذلك، فقد دحض فريق من الباحثين المبتكرين هذا الاعتقاد من خلال تقديم تصميمهم المحسّن الجديد للمولد النانوي.
دراسة المولدات النانوية الاحتكاكية
تسعى الدراسة “Granular Interfaces in TENGs: The Role of Close-Packed Polymer Bead Monolayers for Energy Harvesters” إلى إلقاء الضوء على تعقيدات توزيع شحنة الاحتكاك الكهربائي واستخدامات المواد.
على وجه التحديد، يعرض المهندسون طريقة جديدة تدعم سلوك التوصيل الكهربائي باستخدام حبيبات شبه متطابقة. يقلل هذا النهج من تكاليف التصنيع ويسمح بمزيد من التخصيص.
في البداية، أنشأ المهندسون مولدًا نانويًا احتكاكيًا قائمًا على الحبيبات يدمج قطبين مغطى بطبقات أحادية من حبيبات بوليمر أحادية التشتت. هذه الإعداد الخالي من المذيبات أكثر أمانًا وكفاءةً من البدائل لأنه يزيل النواتج الكيميائية الضارة والمخاطر.
لتحقيق توليد خالٍ من المذيبات، قام العلماء بترسيب حبيبات أحادية التشتت على ركيزة مسطحة. ثم أنشأوا احتكاكًا عن طريق فرك الطبقات معًا. شكل الحبيبات خلق احتكاكًا دوارًا زاد من توتر السطح.
العثور على الحبيبات المناسبة
ومن الجدير بالذكر أن الفريق اكتشف أن استخدام أنواع مختلفة من الحبيبات في العملية يحمل بعض المزايا. على سبيل المثال، تحسّن التوصيل الكهربائي بين بعض الحبوب بسبب الفروق الموجودة في الحجم والشكل والإجهاد وكثافات الشحنة السطحية أو خشونة السطح الناجمة عن الرطوبة أو العوامل البيئية.
تعلم المهندسون من البداية أن نوع الحبيبات المستخدمة سيؤثر على النتائج النهائية. أظهرت أبحاثهم أن التغييرات الطفيفة في اختيار المادة لها تأثير كبير على قدرات توليد الطاقة. وبالتالي، بحثوا في مواد وأحجام وتخطيطات مختلفة.
المادة
اختبر الفريق العديد من أنواع المواد البوليمرية خلال العملية. لاحظوا أن المواد البوليمرية توفر استجابة للمؤثرات وتُعد قاعدة موثوقة. تم ترتيب عدة أشكال من الحبيبات قبل الاستقرار على حبيبات ميلامين-فورمالديهايد (MF).
أظهرت حبيبات MF مزايا واضحة أثناء الشحن الاحتكاكي. على سبيل المثال، توفر احتفاظًا أفضل بالشحنة وتتمتع بمرونة منخفضة. بالإضافة إلى ذلك، لديها أعلى معامل مرونة أو طاقة التماسك.
كما أنها تُظهر دائمًا شحنة إيجابية عند ملامستها لمواد معينة مثل حبيبات PMMA وتظهر أعلى شحن بسبب معامل يونغ الأعلى نسبيًا. يُعد معامل يونغ خوارزمية تُستخدم لقياس الصلابة أو المقاومة للتشوه المرن عند وضع الحمل.
حجم الحبة
جرّب الفريق أيضًا العديد من أحجام الحبيبات المختلفة. على وجه التحديد، استخدم المهندسون جسيمات أحادية التشتت بأقطار متفاوتة تبلغ 0.5 و3 و10 ميكرومتر. لاحظوا أن الحبيبات الأكبر كانت أكثر احتمالًا لحمل شحنة سلبية، بينما احتفظت الحبيبات الأصغر بشحنات إيجابية.
الطبقات الأحادية
بمجرد تحديد مادة الحبة وحجمها وتباعدها، أنشأ المهندسون طبقات أحادية من المادة. وفقًا لتقريرهم، يستخدم الفريق تقنيات تجميع فرك الجسيمات الخالية من المذيبات على ركائز مغطاة بالفلوروكربون.
التخطيط
كان هذا التخطيط المرة الأولى التي يستخدم فيها العلماء جسيمات منفصلة في تكوين طبقة أحادية مكتظة كقطب للمولد النانوي الاحتكاكي. يوفر هذا النهج أعلى كثافة تعبئة بتكوين سداسي مغلق (HCP) ويقدم مزيدًا من التلامس السطحي مع تقليل مساحة السطح، مما يسمح بمزيد من تبادل الشحنات بينها.
كيف تعمل المولدات النانوية الاحتكاكية
لتشغيل المولد النانوي الاحتكاكي يتم بدء حركة فرك. يتسبب هذا الإجراء في خلط طبقات أحادية من مسحوق جاف من بولي ميثيل ميثاكريلات (PMMA) وبولي ستيرين (PS) وراتنج الميلامين (MF) لتفرك بعضها البعض. ينتج عن ذلك احتكاك كهربائي بين الحبيبات والركائز.
اختبار المولدات النانوية الاحتكاكية
أجرى المهندسون عدة اختبارات لإثبات كفاءة مولدهم الجديد. شمل جزء من عملية الاختبار تجارب الاتصال-الانفصال (CS). على وجه التحديد، يستخدم المهندسون مجهر القوة كيلفن (KPFM) ومجهر القوة الذرية (AFM) لمراقبة الالتصاق السطحي، وظاهرة التوصيل الكهربائي، والتشوهات المرنة.
نتائج المولدات النانوية الاحتكاكية
أظهرت نتائج الاختبار الكثير من الوعد لهذه التقنية. على وجه التحديد، أظهر الفريق مستوى جديدًا من إمكانيات التخصيص بما في ذلك التحكم في طوبوغرافيا السطح، والهندسة، وحجم الاتصال، والتماثل.
اكتشفوا أن كثافة الشحنة السطحية لزوج معين يمكن تعزيزها بتغطية الأقطاب بالحبة الأصغر ذات أعلى معامل يونغ. كما فحص الفريق المتانة حتى 10,000 دورة.
عمل المولد كما هو متوقع، منتجًا طاقة نظيفة مع تدهور أداء ضئيل. وبالتالي، يُنظر إليه من قبل الكثيرين كواحد من أفضل الخيارات في الحرب ضد تغير المناخ.
فوائد المولدات النانوية الاحتكاكية
هناك عدة فوائد تجعل المولدات النانوية الاحتكاكية خيارًا ذكيًا. أولاً، توفر خيارًا فعالًا من حيث التكلفة وأكثر خضرةً يمكنه إنتاج الكهرباء في الموقع. تعد طريقة تصنيع TENG الأخيرة هذه بتقليل التكاليف أكثر.
طول العمر
فائدة أخرى لتصميم TANG الجديد هي القدرة على إعادته إلى حالته الأصلية عن طريق فرك مسحوق معين على سطحه. تعني هذه القدرة أن المولدات النانوية الاحتكاكية يمكنها أن تتفوق على منافسيها وتقدم تكاليف صيانة أقل عبر جميع الاستخدامات.
التصنيع
يدعم التصميم تصنيع TENG منخفض التكلفة ومستدامًا دون استخدام المذيبات. هذا النهج أسرع وأكثر نظافة. بالإضافة إلى ذلك، ينتج عنه تلوث أقل، والمنتج النهائي قابل للتخصيص. يمكن للمهندسين حتى إنشاء طبقات أحادية، يمكن دمجها بعد ذلك في أنماط جديدة من هياكل النسيج.
تطبيقات المولدات النانوية الاحتكاكية في العالم الحقيقي & الجدول الزمني:
يمكن للمولدات النانوية الاحتكاكية أن تُحدث ثورة في عدة صناعات. أولاً، القدرة على إنشاء إلكترونيات ذاتية الطاقة تُعد تغييرًا جذريًا. إنها تقلل الاعتماد على مصادر الطاقة التقليدية مثل البطاريات وتوفر بديلاً أنظف يمكن تصنيعه ليتناسب مع الأشكال الأصغر. وفقًا للمهندسين، قد تظهر التطبيقات التجارية خلال السنوات 3 إلى 5 القادمة مع نضوج التقنية.
جمع الطاقة
إحدى الاستخدامات الرائدة لهذه التقنية هي جمع الطاقة. يمكن دمج هذه التقنية في المنازل أو الأجهزة الإلكترونية، مما يلغي الحاجة إلى الشحن. تخيل جميع أجهزتك تعمل دون بطاريات أو مقابس أو مصادر طاقة خارجية. يمكن أن يحسن هذا النهج الاعتماد ويفتح عصرًا جديدًا من التكنولوجيا.
يمكن تطبيق المولدات النانوية الاحتكاكية كسطح على حلول الطاقة الخضراء الأخرى وتعزيز النتائج. على سبيل المثال، تخيل طاحونة رياح تولد كهرباء أيضًا بفضل الكهرباء الساكنة بين الشفرات والهواء أثناء دورانها. يمكن للتقنية نفسها أيضًا المساعدة في إنتاج الطاقة عندما يدور المحرك.
الملابس الذكية
كان هناك الكثير من الحديث حول استخدام هذه التقنية لإنشاء ملابس ذكية. فكر في معطف يمكنه تسخين نفسه من الطاقة التي يولدها عندما ترتديه. أو تخيل إمكانية توصيل هاتفك الذكي بمنفذ شحن حذائك. كل هذا وأكثر ممكن باستخدام المولدات النانوية الاحتكاكية.
عند مناقشة الملابس اليومية، هذا يُعد ميزة إضافية. ومع ذلك، عندما نرفع الرهانات ونناقش الاستكشاف، فإن فكرة الملابس الذكية ذات الطاقة الذاتية تُعد فائدة هائلة. يمكن أن تساعد في ضمان الراحة ومنع الإصابات غير الضرورية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تضمن وجود تدابير أمان مناسبة دائمًا.
المركبات الكهربائية
يمكن أن تحصل المركبات الكهربائية على دفعة كبيرة في الأداء من خلال دمج هذه الأجهزة. بما أن المولدات الاحتكاكية تنتج طاقة بصفر انبعاثات في الموقع عبر الكهرباء الساكنة، فإنها توفر بديلاً أكثر موثوقية وأقل تعقيدًا من الأسلاك المتعددة الموجودة في المركبات الحالية. في المستقبل، لن تحتاج هذه الوحدات إلى طاقة من البطارية المركزية لأنها من المرجح أن يكون لديها مصدر طاقة مدمج.
باحثو المولدات النانوية الاحتكاكية
قام باحثون من قسم الهندسة الكيميائية في جامعة فريجيه أمستردام بروكسل، وجامعة ريجا التقنية، ومعهد ملبورن الملكي للتكنولوجيا، ومعهد MESA+ بجامعة توينتي بقيادة الدكتور إغنااس جيميدار من VUB بدورهم في إحياء الدراسة.
الآن، يسعى الفريق إلى تحسين الكفاءة والتصنيع لتمكين التطبيقات على نطاق واسع. هدفهم هو مواصلة البحث في مواد وأشكال مختلفة. من هناك، يرغبون في إنشاء شراكات استراتيجية لدمج هذه التقنية في منتجات العالم الحقيقي.
شركة مبتكرة تقود التقدم
مع استمرار التقدم في الإلكترونيات ذاتية الطاقة وحلول الطاقة البديلة، تقوم الشركات الرائدة في نقل الطاقة اللاسلكية أيضًا بخطوات هامة. بينما توفر المولدات النانوية الاحتكاكية مسارًا واعدًا لتوليد طاقة مستدامة، تقوم شركات أخرى بالابتكار في تقنيات الشحن اللاسلكي، مما يدفع حدود كيفية استغلالنا وتوزيعنا للطاقة.
هناك سباق لإنشاء طاقة نظيفة وتوصيلها للجماهير. تستمر الشركات في الاستثمار في حلول الطاقة الخضراء والمتجددة التي قد تساعد يومًا ما في منع المزيد من الأضرار المناخية.
إن احتمال وجود إمكانيات جديدة للمولدات النانوية الاحتكاكية في الحياة اليومية يفتح الباب لمستقبل أكثر إشراقًا. إليكم شركة تستمر في ابتكار طرق جديدة ومثيرة للقضاء على الاعتماد على مصادر الطاقة التقليدية.
Energous Corporation
دخلت شركة Energous Corporation (WATT ) السوق في عام 2012 تحت اسم DvineWave Inc. تقع الشركة في سان خوسيه، كاليفورنيا، وتم إنشاؤها لتوفير حلول وشبكات الشحن اللاسلكي للسوق. اليوم، تُعَرف كواحدة من الرواد المبتكرين في قطاع الطاقة الخضراء.
تمتلك Energous Corp عدة منتجات ساعدتها على كسب الاعتراف في السوق. تقنية WattUp للطاقة اللاسلكية هي الخيار الأكثر شهرة، وتوفر شحنًا موثوقًا. كما تقدم الشركة تقنية شبكة الطاقة اللاسلكية (WPNT)، مثل التحكمات البرمجية، وتصاميم الأجهزة، والهوائيات، ومجموعات الرقائق شبه الموصلة.
WATT مخطط السعر
ومن الجدير بالذكر أن Energeous تمتلك أكثر من 200 براءة اختراع في صناعة التقنية اللاسلكية. بالإضافة إلى ذلك، كانت أول شركة تحصل على شهادة FCC الجزء 18 للشحن اللاسلكي عن بُعد. كل هذه العوامل، إلى جانب سجل Energeous المثبت، تجعل من WATT سهمًا ذكيًا للبحث المتعمق.
آخر المستجدات حول شركة Energous
المولدات النانوية الاحتكاكية – لا تشترِ البطاريات مرة أخرى
إن احتمال توليد الطاقة عبر الكهرباء الساكنة المتقدمة يثير حماس المحللين والمهندسين. إن تقديم تقنية عالية الأداء مثل الأجهزة القابلة للارتداء ذاتيًا سيؤمن مزيدًا من قدرات المراقبة والاتصال للعالم. وبالتالي، يستحق هؤلاء المهندسون الثناء على جهودهم.
تعرف على تقنيات النانو الأخرى هنا.
الدراسات المرجعية:
1. Jimidar, I., Umanzor, L. E., Ibáñez, J. G., Srivastava, P., Geng, Z., Ruzmetov, D., … & D’Haen, J. (2024). Granular interfaces in TENGs: The role of close‐packed polymer bead monolayers for energy harvesters. Small, 20(10), 24010155. https://doi.org/10.1002/smll.202410155
