به گزارش تجارت نیوز، انرژی خورشیدی یکی از پاکترین و در دسترسترین منابع انرژی در جهان است، اما یک محدودیت اساسی دارد: با غروب خورشید، تولید آن نیز متوقف میشود. این چالش باعث شده دانشمندان سالها به دنبال راهی برای ذخیره مؤثر انرژی خورشیدی باشند تا بتوان از آن در زمان نبود نور نیز استفاده کرد. اکنون پژوهشگران با الهام از ساختار طبیعی چوب، رویکردی کاملا نوآورانه ارائه دادهاند که میتواند این مشکل را تا حد زیادی برطرف کند.
تبدیل چوب به یک سیستم کامل انرژی خورشیدی
در اغلب فناوریهای فعلی، برای جذب نور، ذخیره گرما و محافظت از سیستم، از لایههای مختلف مواد استفاده میشود. اما این لایهها بهخوبی با هم هماهنگ نیستند و در مرز بین آنها بخشی از انرژی هدر میرود.
پژوهشگران در این مطالعه بهجای استفاده از چندین ماده جداگانه، چوب را به یک سیستم یکپارچه تبدیل کردهاند؛ سیستمی که میتواند نور خورشید را جذب کند، آن را به گرما تبدیل کند، انرژی را ذخیره کند و حتی پس از قطع نور نیز به تولید برق ادامه دهد.
چرا چوب بالسا انتخاب شد؟
محققان کار خود را با چوب بالسا آغاز کردند، نه به دلیل استحکام آن، بلکه به خاطر ساختار داخلی منحصربهفردش. در مقیاس میکروسکوپی، این چوب از کانالهای لولهای همراستا تشکیل شده که عرض آنها حدود ۲۰ تا ۵۰ میکرومتر است.
این کانالها بهطور طبیعی قابلیت هدایت گرما و نگهداری مواد را دارند و به همین دلیل، یک بستر ایدهآل برای مهندسی محسوب میشوند.
بازطراحی چوب از درون
چوب خام ویژگیهای مطلوبی برای این کاربرد ندارد؛ نور را بازتاب میدهد و آب را جذب میکند. بنابراین پژوهشگران ابتدا لیگنین (مادهای که باعث رنگ و استحکام چوب میشود) را حذف کردند.
این فرآیند باعث شد تخلخل چوب به بیش از ۹۳ درصد برسد و شبکهای گسترده از سطوح فعال درون کانالها ایجاد شود
در واقع، چوب به یک ساختار اسفنجی بسیار متخلخل تبدیل شد، بدون اینکه نظم جهتدار خود را از دست بدهد.
مهندسی نانویی برای جذب حداکثری نور
در مرحله بعد، دیوارههای داخلی این کانالها با لایههایی بسیار نازک از فسفرین سیاه پوشانده شد. این ماده میتواند نور خورشید را در طیفهای فرابنفش، مرئی و مادون قرمز جذب کرده و به گرما تبدیل کند.
اما فسفرین یک مشکل دارد: در تماس با هوا بهسرعت تخریب میشود. برای حل این مشکل، محققان از یک پوشش محافظ شامل اسید تانیک و یونهای آهن استفاده کردند.
این پوشش:
- از اکسید شدن جلوگیری میکند
- جذب نور را افزایش میدهد
- پایداری ماده را تا ۱۵۰ روز در برابر نور خورشید حفظ میکند
افزایش کارایی با نانوذرات نقره
برای بهبود بیشتر عملکرد، نانوذرات نقره به ساختار اضافه شدند. این ذرات از طریق اثرات پلاسمونیک، تعامل ماده با نور را تقویت کرده و جذب انرژی خورشیدی را افزایش میدهند.
همچنین سطح چوب با زنجیرههای هیدروکربنی اصلاح شد تا خاصیت آبگریزی شدید پیدا کند. زاویه تماس آب با این سطح به ۱۵۳ درجه رسید، به این معنی که قطرات آب بهراحتی از روی آن میلغزند.
ذخیره انرژی با مواد تغییر فاز
در گام بعدی، کانالهای چوب با اسید استئاریک (یک ماده تغییر فازدهنده زیستی) پر شدند. عملکرد این ماده به این صورت است:
- هنگام گرم شدن ذوب میشود و انرژی ذخیره میکند
- هنگام سرد شدن جامد میشود و انرژی را آزاد میکند
عملکرد عددی و نتایج چشمگیر
این سیستم جدید عملکرد بسیار قابل توجهی از خود نشان داد:
- ذخیره گرما: حدود ۱۷۵ کیلوژول بر کیلوگرم
- بازده تبدیل نور به گرما: ۹۱.۲۷ درصد
- هدایت حرارتی: حدود ۳.۹ برابر بیشتر در راستای الیاف چوب
- تولید برق: تا ۰.۶۵ ولت تحت تابش استاندارد یک خورشید
تولید برق حتی در تاریکی
نکته کلیدی این فناوری در نحوه عملکرد آن است. زمانی که نور خورشید به ماده میتابد:
- گرما تولید میشود
- اسید استئاریک ذوب شده و انرژی ذخیره میکند
پس از قطع نور:
- این ماده بهآرامی سرد میشود
- گرمای ذخیرهشده آزاد میشود
- اختلاف دما در ژنراتور ترموالکتریک حفظ میشود
در نتیجه، سیستم حتی در نبود نور خورشید نیز به تولید برق ادامه میدهد.
دوام و ویژگیهای حفاظتی
این ماده علاوه بر کارایی بالا، از نظر دوام نیز عملکرد خوبی دارد:
- پس از ۱۰۰ چرخه گرمایش و سرمایش، عملکرد آن تقریباً بدون تغییر باقی ماند
- خاصیت ضدحریق دارد و در صورت آتشگرفتن، در عرض ۲ دقیقه خودبهخود خاموش میشود
- سطح آن ضدباکتری است و از رشد میکروبها جلوگیری میکند
- گرد و غبار و آلودگی کمتر به آن میچسبد
کاربردهای آینده
این فناوری تنها به تولید انرژی خورشیدی محدود نمیشود. کاربردهای احتمالی آن شامل موارد زیر است:
- مدیریت حرارت در تجهیزات الکترونیکی
- ساخت مصالح ساختمانی با بهرهوری انرژی بالا
- تأمین انرژی برای سیستمهای کوچک و خارج از شبکه
با این حال، مهمترین چالش پیش رو، امکان تولید این ماده در مقیاس بزرگ و حفظ عملکرد آن در شرایط واقعی است.
پژوهش جدید نشان میدهد که میتوان با الهام از ساختار طبیعی چوب، یک سیستم کامل و یکپارچه برای جذب، ذخیره و تبدیل انرژی خورشیدی طراحی کرد. این فناوری نهتنها بازده بالایی دارد، بلکه میتواند مشکل اصلی انرژی خورشیدی—یعنی وابستگی به نور—را تا حد زیادی برطرف کند.
اگر این روش در مقیاس صنعتی قابل اجرا باشد، میتواند مسیر تازهای برای توسعه نسل جدیدی از سیستمهای انرژی پایدار و هوشمند باز کند؛ سیستمهایی که حتی در تاریکی نیز به تولید انرژی ادامه میدهند.
