به گزارش تجارت نیوز، سال‌هاست که تأمین انرژی تجهیزات مستقر در دریا و زیر آب یکی از چالش‌های مهم پژوهشگران بوده است. بسیاری از حسگرها، دوربین‌ها و سامانه‌های ارتباطی باید برای مدت طولانی در محیط دریایی فعالیت کنند، اما دسترسی به برق در چنین مناطقی آسان نیست. استفاده از کابل‌های طولانی هزینه زیادی دارد و باتری‌ها نیز پس از مدتی نیازمند تعویض یا شارژ مجدد هستند.
اکنون پژوهشگران دانشگاه یوننان و دانشکده تحصیلات تکمیلی Southwest United راهکار متفاوتی را بررسی کرده‌اند: استفاده مستقیم از نور خورشید در زیر آب.
این گروه توانسته است سلول‌های خورشیدی ویژه‌ای را در شرایط زیرآبی آزمایش کند و عملکرد آنها را در عمق حدود ۱۰ متری دریای چین جنوبی مورد ارزیابی قرار دهد. اهمیت این آزمایش در آن است که فناوری مورد بررسی صرفاً برای محیط‌های بسیار کم‌عمق طراحی نشده و می‌تواند در عمقی فعالیت کند که میزان نور خورشید نسبت به سطح آب به شکل محسوسی کاهش یافته است.
پژوهشگران معتقدند این دستاورد می‌تواند مسیر تازه‌ای برای طراحی منابع انرژی مستقل در محیط‌های دریایی باز کند؛ منابعی که بدون اتصال دائمی به شبکه برق بتوانند انرژی مورد نیاز تجهیزات مختلف را تأمین کنند.
چرا سلول‌های خورشیدی معمولی در زیر آب عملکرد خوبی ندارند؟
مشکل اصلی در استفاده از سلول‌های خورشیدی زیر آب، خود سلول نیست؛ بلکه محیطی است که سلول باید در آن کار کند. نور خورشید هنگام عبور از آب به تدریج تضعیف می‌شود و بخشی از طول موج‌های آن پیش از رسیدن به سلول از بین می‌رود.
سلول‌های خورشیدی سیلیکونی متداول برای شرایطی ساخته شده‌اند که طیف نسبتاً گسترده‌ای از نور خورشید روی آنها قرار می‌گیرد. این سلول‌ها به‌ویژه از بخش‌های قرمز و مادون‌قرمز طیف نور استفاده می‌کنند، اما این بخش از نور در محیط آبی نمی‌تواند مانند سطح زمین به عمق نفوذ کند.
در نتیجه، سلولی که روی سطح زمین می‌تواند عملکرد مناسبی داشته باشد، پس از قرار گرفتن در زیر آب با کاهش جدی انرژی دریافتی مواجه می‌شود. هرچه عمق بیشتر شود، این مشکل نیز شدیدتر خواهد شد.
همین مسئله باعث شده بود تحقیقات قبلی در زمینه برداشت انرژی خورشیدی زیر آب عمدتاً به عمق‌های کمتر از ۲ متر محدود شود. در چنین عمقی هنوز نور کافی برای فعالیت سلول وجود دارد، اما بسیاری از کاربردهای واقعی تجهیزات دریایی به استقرار در عمق‌های بیشتر نیاز دارند.
ون‌هوآ ژانگ، نویسنده این پژوهش، می‌گوید تحقیقات قبلی در این حوزه بسیار محدود بوده و تقریباً تمام آنها در عمق ۲ متر یا کمتر انجام شده‌اند؛ شرایطی که از نظر او برای بسیاری از کاربردهای عملی کافی نیست.
تغییر طراحی سلول برای استفاده از نور آبی
راهکاری که تیم تحقیقاتی برای عبور از این مانع در نظر گرفت، تغییر ویژگی‌های سلول خورشیدی بود. پژوهشگران به جای اینکه از سلول‌های معمولی استفاده کنند، ساختارهایی با شکاف باند وسیع را مورد توجه قرار دادند.
دلیل این انتخاب به ویژگی نور در محیط اقیانوسی بازمی‌گردد. برخی طول موج‌ها در آب بهتر از سایر طول موج‌ها حرکت می‌کنند و بخش‌هایی از نور آبی تا نارنجی می‌توانند در محیط دریایی نفوذ بیشتری داشته باشند.
بنابراین، هدف پژوهشگران این بود که سلول را برای استفاده مؤثرتر از همان نوری طراحی کنند که در زیر آب باقی می‌ماند. این تغییر در رویکرد، تفاوت مهمی با استفاده ساده از پنل‌های خورشیدی معمولی در زیر آب دارد.
به زبان ساده، پژوهشگران تلاش نکردند شرایط زیر آب را شبیه سطح زمین کنند؛ بلکه فناوری را با شرایط نوری زیر آب سازگار کردند.
همین مسئله می‌تواند یکی از دلایل عملکرد بهتر نمونه‌های آزمایش‌شده باشد و نشان می‌دهد که توسعه انرژی خورشیدی دریایی احتمالاً به فناوری‌هایی متفاوت از پنل‌های رایج زمینی نیاز خواهد داشت.
آزمایش در عمق ۱۰ متری چه چیزی را نشان داد؟
پس از آزمایش‌های اولیه، پژوهشگران نمونه‌های ساخته‌شده را در شرایط شبیه‌سازی‌شده و همچنین محیط دریایی مورد بررسی قرار دادند. یکی از آزمایش‌های مهم در عمق شبیه‌سازی‌شده ۱۰ متری در منطقه جزایر ویژو در دریای چین جنوبی انجام شد.
در این آزمایش، نمونه‌های اولیه طی ۱۱۶۰ ساعت فعالیت تقریباً هیچ افت عملکرد قابل توجهی نشان ندادند. این نتیجه از آن جهت اهمیت دارد که تجهیزات مستقر در دریا باید در برابر شرایطی بسیار متفاوت از محیط کنترل‌شده آزمایشگاه مقاومت کنند.
موضوع دیگری که مورد توجه پژوهشگران قرار گرفت، پایداری نمونه‌ها در طول زمان بود. آزمایش‌های مربوط به ذخیره‌سازی نشان داد که سلول‌ها پس از ۳۰۰ روز، حدود ۹۶ درصد عملکرد خود را حفظ کرده‌اند.
پژوهشگران همچنین طول عمر عملیاتی این فناوری را حدود ۵.۵ سال تخمین زده‌اند. البته این رقم هنوز یک برآورد پژوهشی است و برای تأیید آن به آزمایش‌های طولانی‌مدت در محیط واقعی نیاز خواهد بود.
یک آزمایش دو ساعته و تولید انرژی قابل توجه
یکی از بخش‌های قابل توجه این پژوهش، آزمایش ماژول‌های بزرگ‌تر در شرایط واقعی است. تیم تحقیقاتی موفق شد فناوری را از نمونه‌های کوچک آزمایشگاهی به ماژول‌های بزرگ‌تر منتقل کند؛ موضوعی که برای حرکت از یک ایده آزمایشگاهی به سمت کاربرد واقعی اهمیت زیادی دارد.
طبق نتایج اعلام‌شده، این ماژول‌ها در عمق ۱۰ متری و طی یک آزمایش دو ساعته، ۳۲۴ مگاوات‌ساعت برق تولید کردند. پژوهشگران این میزان انرژی را برای شارژ مجدد باتری‌های لیتیوم‌یونی استاندارد کافی دانسته‌اند.
ژانگ می‌گوید میزان انرژی تولیدشده توسط ماژول‌های بزرگ در شرایط واقعی و در چنین عمقی، یکی از نتایج شگفت‌انگیز این آزمایش بوده است.
اهمیت آزمایش فقط به میزان انرژی تولیدشده محدود نمی‌شود. توانایی انتقال فناوری از سلول‌های کوچک به ماژول‌های بزرگ‌تر نشان می‌دهد که پژوهشگران در حال بررسی یک مفهوم صرفاً آزمایشگاهی نیستند و مسئله مقیاس‌پذیری نیز در فرآیند تحقیق مورد توجه قرار گرفته است.
تجهیزات زیر آب می‌توانند از این فناوری استفاده کنند
اگر این فناوری در آزمایش‌های آینده نیز عملکرد خود را حفظ کند، کاربردهای مختلفی برای آن قابل تصور است. یکی از نخستین حوزه‌ها، سامانه‌های پایش محیطی خواهد بود.
حسگرهایی که در دریا مستقر می‌شوند باید بتوانند داده‌های مربوط به شرایط محیطی را برای مدت طولانی جمع‌آوری کنند. در بسیاری از نقاط دورافتاده، دسترسی به این تجهیزات برای تعویض باتری یا انجام تعمیرات آسان نیست. یک منبع تولید برق مستقل می‌تواند فاصله میان عملیات تعمیر و نگهداری را افزایش دهد.
دوربین‌های زیر آب نیز می‌توانند از این فناوری بهره ببرند. چنین دوربین‌هایی در پروژه‌های مختلف از پایش زیست‌بوم‌های دریایی گرفته تا نظارت بر زیرساخت‌های زیر آب کاربرد دارند و فعالیت مداوم آنها نیازمند یک منبع انرژی مطمئن است.
در حوزه ارتباطات زیر آب نیز امکان استفاده از فتوولتائیک‌های غوطه‌ور مطرح است. تجهیزات ارتباطی و انتقال داده که در نقاط دورافتاده مستقر می‌شوند، می‌توانند از برق تولیدشده برای ادامه فعالیت خود یا شارژ باتری‌های ذخیره استفاده کنند.
این موضوع در نهایت می‌تواند نیاز به کابل‌کشی‌های طولانی و عملیات دوره‌ای برای تعویض باتری را کاهش دهد.
طول عمر بالا به تنهایی کافی نیست
با وجود نتایج امیدوارکننده، هنوز نمی‌توان سلول‌های خورشیدی زیر آب را یک فناوری آماده برای استفاده گسترده دانست. محیط دریایی مجموعه‌ای از مشکلات را هم‌زمان به تجهیزات تحمیل می‌کند.
آب شور می‌تواند باعث خوردگی اجزای مختلف شود و نفوذ آب نیز ممکن است به بخش‌های الکترونیکی آسیب بزند. از سوی دیگر، افزایش عمق به معنای افزایش فشار آب است و تجهیزات باید بتوانند این فشار را برای مدت طولانی تحمل کنند.
یکی از پیچیده‌ترین مسائل نیز طراحی پوشش محافظ است. سلول باید در برابر آب و نمک محافظت شود، اما این پوشش نباید مانع عبور نور شود. هر میزان کاهش در نور ورودی می‌تواند بر مقدار برق تولیدی تأثیر بگذارد.
به همین دلیل، توسعه نسل‌های بعدی این فناوری فقط به افزایش بازده سلول محدود نخواهد شد. مهندسان باید هم‌زمان روی مواد مقاوم در برابر خوردگی، آب‌بندی، تحمل فشار و انتقال نور کار کنند.
آیا می‌توان به عمق‌های بیشتر رفت؟
پاسخ قطعی به این پرسش هنوز مشخص نیست. عمق ۱۰ متری نقطه مهمی برای اثبات عملکرد فناوری است، اما لزوماً پایان مسیر محسوب نمی‌شود.
با افزایش عمق، نور کمتری به سلول می‌رسد و در نتیجه تولید انرژی دشوارتر می‌شود. بنابراین، یکی از پرسش‌های اصلی برای تحقیقات آینده این است که این فناوری در چه عمقی همچنان می‌تواند انرژی کافی برای کاربردهای عملی تولید کند.
تیم پژوهشی اعلام کرده است که قصد دارد آزمایش‌ها را در عمق‌های بیشتر ادامه دهد. این آزمایش‌ها می‌تواند مشخص کند که مرز عملی فناوری کجاست و چه اصلاحاتی برای افزایش توان تولیدی در محیط‌های کم‌نور لازم خواهد بود.
هم‌زمان، پژوهشگران به دنبال ایجاد روش‌های استاندارد برای آزمایش فتوولتائیک‌های زیر آب هستند. استاندارد شدن شیوه ارزیابی می‌تواند امکان مقایسه دقیق‌تر فناوری‌های مختلف را فراهم کند و مسیر توسعه این حوزه را منظم‌تر کند.
آینده انرژی در زیر آب به چه سمتی می‌رود؟
اگر فتوولتائیک‌های غوطه‌ور بتوانند در آزمایش‌های طولانی‌مدت عملکرد خود را حفظ کنند، مفهوم تأمین انرژی تجهیزات دریایی می‌تواند تغییر کند. به جای آنکه هر حسگر یا دوربین به طور مستقل به باتری‌های حجیم یا کابل برق متکی باشد، می‌توان سامانه‌ای طراحی کرد که در همان محل استقرار، بخشی از انرژی مورد نیاز خود را تولید و ذخیره کند.
البته میزان موفقیت این ایده به شرایط محیطی و نوع تجهیزات وابسته خواهد بود. همه سامانه‌های زیر آب به انرژی یکسانی نیاز ندارند و میزان نور نیز با توجه به عمق، شفافیت آب، شرایط جوی و موقعیت جغرافیایی تغییر می‌کند.
از این رو، احتمالاً کاربرد اولیه این فناوری در تجهیزاتی خواهد بود که مصرف انرژی نسبتاً پایینی دارند و می‌توانند با انرژی تولیدشده توسط سلول‌های زیر آب فعالیت کنند یا باتری خود را به صورت دوره‌ای شارژ کنند.
در چنین سناریویی، ارزش اصلی فناوری تنها در «تولید برق زیر آب» خلاصه نمی‌شود؛ بلکه امکان ایجاد تجهیزات دریایی کم‌نیاز به تعمیر و نگهداری است که می‌توانند مدت بیشتری بدون دخالت انسان فعالیت کنند.
یک قدم مهم، اما نه پایان مسیر
پژوهش جدید نشان می‌دهد که استفاده از نور خورشید در زیر آب دیگر صرفاً یک ایده آزمایشگاهی نیست و می‌توان با تغییر طراحی سلول‌ها، از نور محدود موجود در محیط دریایی برای تولید انرژی استفاده کرد.
با این حال، مسیر رسیدن به یک محصول تجاری همچنان ادامه دارد. آزمایش‌های طولانی‌مدت در محیط واقعی، بررسی عملکرد در عمق‌های بیشتر و اطمینان از مقاومت تجهیزات در برابر آب شور و فشار، عواملی هستند که تعیین می‌کنند این فناوری تا چه اندازه می‌تواند وارد کاربردهای واقعی شود.
اگر این موانع برطرف شوند، می‌توان انتظار داشت منابع انرژی زیر آب در آینده بخشی از زیرساخت تجهیزات هوشمند دریایی را تشکیل دهند؛ از حسگرهایی که ماه‌ها داده جمع‌آوری می‌کنند تا دوربین‌ها و سامانه‌های ارتباطی که در نقاطی فعالیت دارند که دسترسی به برق معمولی در آنها دشوار است.
این پژوهش در مجله علمی Joule منتشر شده و گام تازه‌ای در مسیر توسعه منابع انرژی مستقل برای محیط‌های زیرآبی به شمار می‌رود.
