إنتاج مصادر طاقة مبتكرة ومتجددة وآمنة تمهيدا لتشغيل المزروعات الطبية والأجهزة القابلة للارتداء

في السنوات الأخيرة، حاول المهندسون تحديد تقنيات جديدة لتوليد الطاقة وتخزينها بشكل مستدام، أحد الحلول الواعدة يعمل على زيادة الطاقة الناتجة عن عملية التناضح عندما يلتقي سائلان بتركيز ملح مختلف، كما هو الحال عندما يتدفق جسم من المياه العذبة (مثل النهر) إلى جسم من المياه المالحة (مثل البحر).

توصل الباحثون إلى استراتيجية جديدة لتوفير مصدر طاقة آمن يتيح تطبيقات جديدة قابلة للطي على الورق ومنصة للإلكترونيات المستقبلية القابلة للارتداء

يمكن الطريقة الجديدة أن تحقق مصادر طاقة مبتكرة ومتجددة ورقيقة للغاية وآمنة، طريقة مختلفة لإعداد جهاز تخزين الطاقة الأيونية ذو الحالة الصلبة كثافة طاقة إنتاجية ملحوظة وفائقة الجودة تبلغ 15900 واط للمتر المربع، وكثافة طاقة محددة حجمية أعلى، في وقت واحد.

يفتح العمل الأخير طرقًا مثيرة للاهتمام لتطوير مصادر الطاقة البديلة والمتجددة للإلكترونيات الاستهلاكية في المستقبل، يمكن للنهج الموضح في ورقتهم أن يلهم تطوير أنظمة تخزين طاقة إضافية تستفيد من التأثيرات الأسموزي.

يمكن توسيع نطاق تصنيع الأجهزة باستخدام أنظمة الطلاء التجارية أو الطابعات بطريقة فعالة من حيث التكلفة.

لقد ثبت أن الطاقة الناتجة عن الاختلافات في تركيز الملح، والمعروفة بتدرج الملوحة أو الطاقة الاسموزية، من الصعب جدًا تحويلها إلى طاقة كهربائية محمولة بطريقة عملية وقابلة للتطوير.

إن الاستفادة من هذه العملية لتشغيل الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية، مثل الساعات الذكية والنطاقات الذكية، يبدو حتى الآن غير عملي.

تخزين الطاقة الأيونية بشكل فعال

قدم باحثون في الأكاديمية الصينية للعلوم وجامعة تسينجهوا وجامعة هونج كونج للعلوم والتكنولوجيا مؤخرًا طريقة جديدة يمكن أن تساعد في تخزين الطاقة الأيونية بشكل فعال بناءً على التأثيرات الأسموزي.

هذه الطريقة، الموضحة في Nature Energy ، سمحت لهم بالاستفادة من التأثيرات التناضحية وتفاعلات الأكسدة والاختزال الكهربائي لتحقيق نظام تخزين الطاقة الأيونية العمودية.

وقال دي وي، المؤلف المشارك في الورقة البحثية، لـ Tech Xplore: “منذ ما يقرب من 10 سنوات، لاحظنا ظاهرة علمية مثيرة للاهتمام، وهي أن الأيونات المنقولة بسرعة في الماء داخل أكسيد الجرافين (GO) يمكنها توليد طاقة مناسبة”.

وأضاف “كانت هذه المحاولة الأولى لتوفير مصدر طاقة آمن للغاية يتيح تطبيقات جديدة بما في ذلك بناء مصدر طاقة قابل للطي على الورق ومنصة للإلكترونيات المستقبلية القابلة للارتداء، وفي وقت لاحق، حاولت دراسات أخرى زيادة قوتها من خلال مفهوم التصميم الكسري الرياضي باعتباره نمط الطباعة، والذي كشف النقاب عن الآلية باستخدام أقطاب الفضة (Ag) “.

نهجًا جديدًا لتخزين الطاقة الأيونية

تعتمد الدراسة الأخيرة التي أجراها وي ومعاونوه على هذه الجهود البحثية السابقة، مستلهمة الإلهام من ديناميكيات النقل الأيوني الفعالة لقنوات الموائع النانوية ثنائية الأبعاد الخاصة بـ GO، وتفاعلات الأكسدة والاختزال البينية المصممة بعناية.

في ورقتهم البحثية، قدم الفريق نهجًا جديدًا لتخزين الطاقة الأيونية استنادًا إلى التأثيرات التناضحية، وبالتالي تمكين تحقيق مصادر طاقة مبتكرة ومتجددة ورقيقة للغاية وآمنة.

وأوضح وي: “يعد التحليل الكهربائي العكسي (RED) أحد أكثر الطرق شيوعًا المستخدمة لتحويل الطاقة الأسموزي وقد ركزت العديد من الأبحاث على الأغشية الانتقائية للأيونات لزيادة نقل الأيونات وخفض المقاومة الداخلية”، “هناك علاقة تنافسية بين انتقائية ونفاذية الغشاء الانتقائي للأيونات، ومن المفترض أن يكون السُمك الأمثل المثالي أقل من 1 ميكرومتر، وهو سمك هش ويصعب الحصول عليه.”

وقال وي: “على النقيض من جهاز تحويل الطاقة الأسموزي التقليدي، فإننا نقترح طريقة مختلفة لإعداد جهاز تخزين الطاقة الأيونية ذو الحالة الصلبة (أي مدفوعًا بالرطوبة) والذي يستخدم خصائص نقل الأيونات النانوية وتفاعلات الأكسدة والاختزال البينية”، “لقد قلل الهيكل الرأسي بشكل فعال من المقاومة الداخلية للجهاز وأظهر أداءً عمليًا متفوقًا بسبب إنتاج الطاقة المعزز مع مساحة فيلم GO كبيرة نسبيًا ومسافة نقل أيون أقصر.”

في التقييمات الأولية، حقق الجهاز الذي ابتكره فريق البحث هذا كثافة طاقة إنتاجية ملحوظة وفائقة الجودة تبلغ 15900 واط للمتر المربع، وكثافة طاقة وكثافة طاقة محددة حجمية أعلى، في وقت واحد، ومن خلال توصيل أجهزتهم على التوالي، حقق وي وزملاؤه الجهد المقابل، وهو كبير بما يكفي لتشغيل الإلكترونيات التجارية.

تطوير مصادر الطاقة البديلة والمتجددة للإلكترونيات الاستهلاكية

وقال وي: “على عكس البطاريات التقليدية والمكثفات الفائقة، يمكن أيضًا طباعة جهاز تخزين الطاقة الأيونية الخاص بنا مباشرة باستخدام أنظمة الطلاء التجارية أو الطابعات بطريقة فعالة من حيث التكلفة”، وأضاف “بشكل عام، فإن الفهم الأساسي لديناميات الأيونات النانوية والتصميم العقلاني لأنظمة الطاقة الأيونية قد يمهد الطريق لدراسة تأثير المواد النانوية الأخرى ثنائية الأبعاد ذات التصميمات الهرمية النانوية المختلفة والضبط الدقيق لتفاعلات الأكسدة والاختزال في تطوير مستقبلات عالية الكفاءة، ومصادر الطاقة المتجددة.”

يفتح العمل الأخير الذي قام به وي ومعاونوه طرقًا مثيرة للاهتمام لتطوير مصادر الطاقة البديلة والمتجددة للإلكترونيات الاستهلاكية.

في المستقبل، يمكن للنهج الموضح في ورقتهم أن يلهم تطوير أنظمة تخزين طاقة إضافية تستفيد من التأثيرات الأسموزي.

وأضاف وي: “كما هو موضح في بحثنا، يمكن توسيع نطاق تصنيع أجهزتنا باستخدام أنظمة الطلاء التجارية أو الطابعات بطريقة فعالة من حيث التكلفة”، “بسبب الطاقة النوعية الحجمية (9.46 وات سم −3 ) وكثافة الطاقة (106.33 وات سم −3 ) التي تم الحصول عليها، يستطيع الجهاز تشغيل الإلكترونيات ذات استهلاك الطاقة العالي نسبيًا، مثل شاشات LCD، مباشرة، وفي دراساتنا التالية، قمنا سوف نكرس أنفسنا للبحث التطبيقي لجهاز تخزين الطاقة الأيونية هذا.”

يخططون الآن لمواصلة استكشاف هذا الاتجاه البحثي، مع التركيز على إمكانات أجهزتهم لتشغيل المزروعات الطبية، والأجهزة القابلة للارتداء وغيرها من تقنيات الهاتف المحمول الصغيرة المتوافقة، مثل واجهات الإنسان والآلة الرفيعة للغاية.