المستقبل يصبح حقيقة.. طاقة نظيفة وفيرة من الهواء على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع

أظهر فريق من المهندسين، أنه يمكن تحويل أي مادة تقريبًا إلى جهاز يحصد الكهرباء باستمرار من الرطوبة في الهواء.

يكمن السر في القدرة على تلطيف المادة بمسام نانوية قطرها أقل من 100 نانومتر نُشر البحث في مجلة Advanced Materials .

يقول Xiaomeng Liu ، طالب الدراسات العليا في الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في كلية الهندسة بجامعة جامعة ماساتشوستس أمهيرست، والمؤلف الرئيسي للورقة البحثية: “هذا أمر مثير للغاية”، “نحن نفتح بابًا واسعًا لحصاد الكهرباء النظيفة من الهواء”.

يقول جون ياو، الأستاذ المساعد في الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في كلية الهندسة في جامعة ماساتشوستس أمهيرست، وكبير مؤلفي الورقة البحثية: “يحتوي الهواء على كمية هائلة من الكهرباء”، “فكر في السحابة، التي ليست أكثر من كتلة من قطرات الماء،تحتوي كل واحدة من هذه القطرات على شحن ، وعندما تكون الظروف مناسبة، يمكن للسحابة إنتاج صاعقة برق، لكننا لا نعرف كيفية التقاط الكهرباء بشكل موثوق من البرق، ما فعلناه هو إنشاء سحابة صغيرة الحجم من صنع الإنسان تنتج الكهرباء لنا بشكل متوقع ومستمر حتى نتمكن من حصادها. ”

يعتمد قلب السحابة التي من صنع الإنسان على ما يسميه ياو وزملاؤه “تأثير جين الهواء العام” ، وهو يعتمد على العمل الذي أكمله ياو والمؤلف المشارك ديريك لوفلي، أستاذ علم الأحياء الدقيقة في جامعة UMass Amherst ، سابقًا في عام 2020 ، يُظهر أنه يمكن حصاد الكهرباء باستمرار من الهواء باستخدام مادة متخصصة مصنوعة من أسلاك نانوية بروتينية نمت من بكتيريا Geobacter sulfurreducens.

تأثير جين الهواء

يقول ياو: “ما أدركناه بعد اكتشاف الجيوباكتير هو أن القدرة على توليد الكهرباء من الهواء – وهو ما أطلقنا عليه فيما بعد” تأثير جين الهواء “- تبين أنه عام: حرفياً يمكن لأي نوع من المواد حصاد الكهرباء من الهواء ، ما دامت لها خاصية معينة “.

تلك الخاصية؟ “يجب أن تحتوي على ثقوب أصغر من 100 نانومتر (نانومتر) ، أو أقل من الألف من عرض شعرة الإنسان.”

ويرجع ذلك إلى معلمة تُعرف باسم “متوسط المسار الحر”، وهي المسافة التي ينتقل بها جزيء واحد من مادة ما ، في هذه الحالة الماء الموجود في الهواء ، قبل أن يصطدم بجزيء واحد آخر من نفس المادة.

عندما يتم تعليق جزيئات الماء في الهواء ، يكون متوسط مسارها الحر حوالي 100 نانومتر.

أدرك ياو وزملاؤه أنه يمكنهم تصميم حصادة كهربائية بناءً على هذا الرقم، سيتم تصنيع هذا الحصاد من طبقة رقيقة من مادة مملوءة بمسام نانوية أصغر من 100 نانومتر والتي من شأنها أن تسمح لجزيئات الماء بالمرور من الجزء العلوي إلى الجزء السفلي من المادة.

ولكن نظرًا لأن كل مسام صغيرة جدًا ، فإن جزيئات الماء ستصطدم بسهولة بحافة المسام أثناء مرورها عبر الطبقة الرقيقة.

هذا يعني أن الجزء العلوي من الطبقة سيتم قصفه بالعديد من جزيئات الماء الحاملة للشحنة أكثر من الجزء السفلي ، مما يؤدي إلى اختلال توازن الشحنة، مثل ذلك الموجود في السحابة ، حيث زاد الجزء العلوي شحنته بالنسبة للجزء السفلي. سيؤدي هذا فعليًا إلى إنشاء بطارية – بطارية تعمل طالما كان هناك أي رطوبة في الهواء.

يقول ياو: “الفكرة بسيطة، لكنها لم تُكتشف من قبل، وتفتح جميع أنواع الاحتمالات”، يمكن تصميم آلة الحصاد من جميع أنواع المواد حرفيًا ، مما يوفر خيارات واسعة للتلفيعات الفعالة من حيث التكلفة والقابلة للتكيف مع البيئة، “يمكنك تصوير الحاصدين المصنوعين من نوع واحد من المواد لبيئات الغابات المطيرة ، وآخر للمناطق القاحلة.”

وبما أن الرطوبة موجودة دائمًا، فإن آلة الحصاد ستعمل على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع ، سواء كانت ممطرة أو مشرقة، في الليل وسواء هبت الرياح أم لا ، مما يحل إحدى المشكلات الرئيسية لتقنيات مثل الرياح أو الطاقة الشمسية، والتي تعمل فقط في ظل ظروف معينة .

أخيرًا، نظرًا لأن رطوبة الهواء تنتشر في مساحة ثلاثية الأبعاد، ولا يمثل سمك جهاز Air-gen سوى جزء صغير من عرض شعرة الإنسان، يمكن تكديس عدة آلاف منها فوق بعضها البعض، مما يؤدي إلى زيادة الكمية بكفاءة من الطاقة دون زيادة البصمة للجهاز.

سيكون مثل هذا الجهاز الهوائي قادرًا على توفير طاقة بمستوى كيلوواط للاستخدام العام للمرافق الكهربائية.

يقول ياو: “تخيل عالماً في المستقبل تتوفر فيه الكهرباء النظيفة في أي مكان تذهب إليه”، “تأثير جين الهواء العام يعني أن هذا العالم المستقبلي يمكن أن يصبح حقيقة.”

تابعنا على تطبيق نبض