تمامًا مثل المكرر في Star Trek: The Next Generation ، يعد نموذجًا أوليًا جديدًا للطاقة النظيفة بعمل العجائب من فراغ.
يطلق عليه الباحثون اسم Air-gen ، وهو جهاز محمول لتوليد الكهرباء يستخدم شبكة من أسلاك البروتين النانوية لتحويل الرطوبة المحيطة في الهواء إلى عواصف رعدية محتواة.
قال هؤلاء العلماء إن هذه “السحابة الصغيرة الحجم التي صنعها الإنسان” يمكن أن تنتج الكهرباء “بشكل متوقع ومستمر” في مجموعة متنوعة من الظروف أكثر من الخلايا الشمسية المعتمدة على الشمس أو التوربينات المعتمدة على الرياح.
يأمل الفريق في رؤية تطوير Air-gen للاستخدام الجماعي في جميع أنحاء العالم – في بيئات تتراوح من غابات الأمازون المطيرة إلى الصحراء الكبرى.
يكرر تأثير Air-gen للفريق ظروف سحابة رعدية غنية بالطاقة ، مما يحبس بخار الماء في شبكة من المسام الصغيرة على نطاق النانو لحصاد وتخزين إمكاناته الكهربائية
في قدرته على سحب شيء من الهواء ، يشبه الجهاز المكرر (أعلاه) من Star Trek: The Next Generation ، والذي يمكن أن ينتج أي شيء تقريبًا من المواد غير المرغوب فيها الزائدة
يقول كبير مؤلفي الدراسة الدكتور جون ياو من جامعة ماساتشوستس أمهيرست: “يحتوي الهواء على كمية هائلة من الكهرباء”. “فكر في سحابة ، ليست أكثر من كتلة من قطرات الماء.”
قال الدكتور ياو: “تحتوي كل قطرة من هذه القطرات على شحنة ، وعندما تكون الظروف مناسبة ، يمكن أن تنتج السحابة صاعقة البرق ، لكننا لا نعرف كيف نحصل على الكهرباء من البرق بشكل موثوق”.
يحل Yao’s Air-gen هذه المشكلة عن طريق تكرار ظروف الغيوم الرعدية الغنية بالطاقة ، محاصرة بخار الماء المشحون داخل شبكة من المسام النانوية الصغيرة.
قال ياو إنه لحسن الحظ ، يمكن استخدام الكثير من المواد المختلفة للحصول على الطاقة من هذه التقنية.
“إنها تحتاج فقط إلى ثقوب أصغر من 100 نانومتر (نانومتر) – أو أقل من ألف من عرض شعرة الإنسان.”
في الواقع ، عندما بدأ فريقه في اختبار هذه التقنية لأول مرة منذ ثلاث سنوات ، استخدموا مادة متخصصة من أسلاك البروتين النانوية المتولدة من ثقافة بكتيرية لـ Geobacter sulfurreducens.
بشكل أساسي ، أكد ياو وفريقه أنه بإمكانهم حصاد الكهرباء باستمرار من طبق بتري باستخدام “تأثير التوليد الهوائي”.
يقول الفريق إن حجم 100 نانومتر مهم جدًا للعملية ، لأنه يتناسب مع ما يعرفه الكيميائيون باسم “ المسار الحر المتوسط ” – المسافة التي يمكن أن يطفو بها جزيء واحد من بخار الماء في الجو قبل أن يصطدم بجزيء آخر.
مع هذه المسام الصغيرة ، أدرك الباحثون أن بإمكانهم تكوين شحنة كهربائية متراكمة مع مرور جزيئات الماء عبر الأنابيب النانوية الخاصة بهم. ويكاد يكون التأثير مثل البالونات التي تولد كهرباء ساكنة ، إذا أُجبرت على المرور عبر أنبوب مصنوع من سجاد سميك.
يخلق نظام Air-gen خللاً في الشحن ، في جوهره ، حيث أن الطرف العلوي من نظام المسام يبني شحنة على عكس الطرف السفلي ، تمامًا مثل جانبي البطارية.
قال ياو: “الفكرة بسيطة ، لكنها لم تُكتشف من قبل – وهي تفتح جميع أنواع الاحتمالات”.
في هذا الرسم لجهاز Air-gen ، يتم تثبيت غشاء رقيق من مسام نانو بروتينية دقيقة بين زوج من الأقطاب الكهربائية. القطب العلوي صغير بما يكفي لفضح المسام العلوية للهواء الرطب ، مما يخلق فرق الشحن الموجب والسالب المطلوب للحصول على تأثير يشبه البطارية
صنع العلماء جهاز Air-gen الخاص بهم من مادة متخصصة من أسلاك البروتين النانوية ، والتي نمت من البكتيريا Geobacter sulfurreducens. يُظهر الفحص المجهري الإلكتروني أسطح الأنابيب النانوية البروتينية الدقيقة (أعلاه) بمقياس لا يتجاوز بضعة ميكرومترات (ميكرومتر)
على عكس الخلايا الشمسية ، التي تتطلب في كثير من الأحيان مواد متطورة غريبة وأحيانًا سامة لتجميع أشعة الشمس ، يمكن تصميم نظام المسام النانوية Air-gen من مجموعة متنوعة من المواد الأكثر صداقة للبيئة.
“ما أدركناه بعد صنع Geobacter قال ياو إن الاكتشاف “هو القدرة على توليد الكهرباء من الهواء – ما أطلقنا عليه فيما بعد” تأثير جين الهواء “- تبين أنه عام”.
وقال: “يمكن لأي نوع من المواد فعليًا أن يحصد الكهرباء من الهواء ، طالما أنه يمكن تشكيلها في نظام مسام صغير يبلغ 100 نانومتر”.
يأمل ياو وفريقه أن يتم نشر مفهومهم المعياري والمحمول للغاية في جميع أنحاء العالم في مجموعة متنوعة من الظروف.
قال ياو: “يمكنك أن تتخيل حصادًا مصنوعًا من نوع واحد من المواد لبيئات الغابات المطيرة ، وآخر للمناطق القاحلة”.
ونظرًا لأن الرطوبة ليست ظاهرة مناخية نادرة تمامًا ، يمكن أن تعمل حصادات التوليد الهوائي على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع ، ليلاً أو نهارًا ، في أي طقس تقريبًا.
وفقًا لتقديراتهم ، كما نُشر هذا الشهر في مجلة Advanced Materials ، يمكن تكديس الأجهزة فوق بعضها البعض بالآلاف وستكون قادرة على توليد أكثر من 1 كيلوواط من الطاقة لكل متر مكعب من المساحة.
قال 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.”