أخبارالطاقة

جهاز رقيق للغاية يشحن ذاتيًا يولد الكهرباء من رطوبة الهواء

تخيل أن تكون قادرًا على توليد الكهرباء عن طريق تسخير الرطوبة في الهواء من حولك باستخدام أشياء يومية مثل ملح البحر وقطعة من القماش ، أو حتى تشغيل الإلكترونيات اليومية ببطارية غير سامة ورقيقة مثل الورق. طور فريق من الباحثين من كلية التصميم والهندسة (CDE) التابعة لجامعة سنغافورة الوطنية (NUS) جهازًا جديدًا لتوليد الكهرباء مدفوعًا بالرطوبة (MEG) مصنوعًا من طبقة رقيقة من القماش – يبلغ سمكها حوالي 0.3 ملم (مم) – ملح البحر ، وحبر الكربون ، وهلام خاص لامتصاص الماء.

يعتمد مفهوم أجهزة MEG على قدرة المواد المختلفة على توليد الكهرباء من التفاعل مع الرطوبة في الهواء. حظيت هذه المنطقة باهتمام متزايد نظرًا لإمكاناتها لمجموعة واسعة من تطبيقات العالم الحقيقي ، بما في ذلك الأجهزة التي تعمل بالطاقة الذاتية مثل الأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء مثل أجهزة المراقبة الصحية وأجهزة استشعار الجلد الإلكترونية وأجهزة تخزين المعلومات.

فريق من الباحثين من كلية التصميم والهندسة

تشمل التحديات الرئيسية لتقنيات MEG الحالية تشبع الجهاز بالماء عند تعرضه للرطوبة المحيطة والأداء الكهربائي غير المرضي. وبالتالي ، فإن الكهرباء المولدة بواسطة أجهزة MEG التقليدية غير كافية لتشغيل الأجهزة الكهربائية وهي أيضًا غير مستدامة.

للتغلب على هذه التحديات ، ابتكر فريق بحثي بقيادة الأستاذ المساعد تان سوي تشينج من قسم علوم وهندسة المواد التابع لـ CDE جهاز MEG جديدًا يحتوي على منطقتين لهما خصائص مختلفة للحفاظ على الاختلاف الدائم في محتوى الماء عبر المناطق لتوليد الكهرباء. والسماح بالإخراج الكهربائي لمئات الساعات.

نُشر هذا الاختراق التكنولوجي في النسخة المطبوعة من المجلة العلمية Advanced Materials في 26 مايو 2022.

بطارية طويلة الأمد وذاتية الشحن قائمة على النسيج

يتكون جهاز MEG التابع لفريق NUS من طبقة رقيقة من القماش مطلية بجسيمات الكربون النانوية. استخدم الفريق في دراستهم نسيجًا متاحًا تجاريًا مصنوعًا من لب الخشب والبوليستر.

منطقة واحدة من القماش مغطاة بهيدروجيل أيوني استرطابي ، وتعرف هذه المنطقة بالمنطقة الرطبة. مصنوع باستخدام ملح البحر ، يمكن للهلام الخاص بامتصاص الماء أن يمتص أكثر من ستة أضعاف وزنه الأصلي ، ويستخدم لحصاد الرطوبة من الهواء.

“تم اختيار ملح البحر كمركب يمتص الماء نظرًا لخصائصه غير السامة وقدرته على توفير خيار مستدام لمحطات تحلية المياه للتخلص من ملح البحر والملح الناتج ،” قال الأستاذ تان.

الطرف الآخر من القماش هو المنطقة الجافة التي لا تحتوي على طبقة هيدروجيل أيونية استرطابية. وذلك لضمان بقاء هذه المنطقة جافة وحصر المياه في المنطقة الرطبة.

بمجرد تجميع جهاز MEG ، يتم توليد الكهرباء عندما يتم فصل أيونات ملح البحر حيث يتم امتصاص الماء في المنطقة الرطبة. يتم امتصاص الأيونات الحرة ذات الشحنة الموجبة (الكاتيونات) بواسطة جسيمات الكربون النانوية السالبة الشحنة.

يتسبب هذا في حدوث تغييرات في سطح القماش ، مما يؤدي إلى توليد مجال كهربائي عبره. هذه التغييرات على السطح تمنح القماش أيضًا القدرة على تخزين الكهرباء لاستخدامها لاحقًا.

باستخدام تصميم فريد للمناطق الرطبة والجافة ، تمكن باحثو NUS من الحفاظ على محتوى مائي مرتفع في المنطقة الرطبة ومحتوى مائي منخفض في المنطقة الجافة.

سيؤدي ذلك إلى الحفاظ على الناتج الكهربائي حتى عندما تكون المنطقة الرطبة مشبعة بالماء. بعد تركه في بيئة رطبة مفتوحة لمدة 30 يومًا ، استمر الحفاظ على المياه في المنطقة الرطبة مما يدل على فعالية الجهاز في الحفاظ على الإنتاج الكهربائي.

“مع هذا الهيكل الفريد غير المتماثل ، تم تحسين الأداء الكهربائي لجهاز MEG الخاص بنا بشكل كبير مقارنة بتقنيات MEG السابقة ، مما يجعل من الممكن تشغيل العديد من الأجهزة الإلكترونية الشائعة ، مثل أجهزة المراقبة الصحية والإلكترونيات القابلة للارتداء” ، أوضح مساعد. البروفيسور تان.

أظهر جهاز MEG للفريق أيضًا مرونة عالية وكان قادرًا على تحمل الإجهاد الناتج عن الالتواء والدحرجة والانحناء. ومن المثير للاهتمام ، أن الباحثين أظهروا مرونتها الفائقة من خلال طي القماش في رافعة الأوريغامي والتي لم تؤثر على الأداء الكهربائي العام للجهاز.

امدادات الطاقة المحمولة وأكثر من ذلك

جهاز MEG له تطبيقات فورية نظرًا لسهولة قابلية التوسع والمواد الخام المتاحة تجاريًا. أحد أكثر التطبيقات الفورية هو استخدامه كمصدر طاقة محمول لإلكترونيات تشغيل الأجهزة المحمولة مباشرة عن طريق الرطوبة المحيطة.

قال عضو فريق البحث الدكتور تشانغ ياوكسين: “بعد امتصاص الماء ، يمكن لقطعة واحدة من القماش المولّد للطاقة التي يبلغ حجمها 1.5 × 2 سم أن توفر ما يصل إلى 0.7 فولت (V) من الكهرباء لأكثر من 150 ساعة في ظل بيئة ثابتة”.

نجح فريق NUS أيضًا في إثبات قابلية تطوير أجهزته الجديدة في توليد الكهرباء لتطبيقات مختلفة. قام فريق NUS بتوصيل ثلاث قطع من القماش المولّد للطاقة معًا ووضعها في علبة مطبوعة ثلاثية الأبعاد بحجم بطارية AA قياسية. تم اختبار جهد الجهاز المُجمع ليصل إلى 1.96 فولت – أعلى من بطارية AA التجارية التي تبلغ 1.5 فولت – وهو ما يكفي لتشغيل الأجهزة الإلكترونية الصغيرة مثل المنبه.

إن قابلية تطوير اختراع NUS ، وسهولة الحصول على المواد الخام المتاحة تجاريًا بالإضافة إلى تكلفة التصنيع المنخفضة التي تبلغ حوالي 0.15 دولارًا لكل متر مربع ، تجعل جهاز MEG مناسبًا للإنتاج بالجملة.

“يُظهر جهازنا قابلية تطوير ممتازة بتكلفة تصنيع منخفضة. مقارنة بهياكل وأجهزة MEG الأخرى ، يعتبر اختراعنا أبسط وأسهل لتوسيع نطاق عمليات التكامل والتوصيلات. نعتقد أنه يحمل وعدًا كبيرًا للتسويق ،” البروفيسور تان.

قدم الباحثون براءة اختراع للتكنولوجيا ويخططون لاستكشاف استراتيجيات تسويق محتملة لتطبيقات العالم الحقيقي.

تابعنا على تطبيق نبض

Comments

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.

زر الذهاب إلى الأعلى
%d مدونون معجبون بهذه: