24-hr Solid-State Power Generation with Self-Adaptive Tunable Radiative Coatings
تستعرض هذه الورقة نظاماً ذاتي التكيف لتوليد الطاقة في الحالة الصلبة يحقق تشغيلاً على مدار 24 ساعة من خلال دمج المولدات الكهروحرارية مع طلاء إشعاعي قابل للضبط ينتقل ذاتياً بين الامتصاصية الشمسية العالية للتدفئة نهاراً والانبعاثية تحت الحمراء العالية للتبريد ليلاً عبر انتقال طور ثاني أكسيد الفاناديوم (VO2) المدفوع بدرجة الحرارة، متفوقاً بذلك على الممتصات السوداء التقليدية في إنتاج الطاقة نهاراً وليلاً.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تعد الشمس مصدراً لا يهدأ للحرارة، بينما يوفر فراغ الفضاء البارد برودة عميقة ومستمرة. لعقود من الزمن، حاول العلماء بناء آلات تحصد الطاقة من هذين النقيضين، آملين في خلق طاقة دون أجزاء متحركة أو وقود. يكمن التحدي في أن الجهاز يحتاج إلى أن يصبح ساخناً جداً لتوليد الكهرباء من الشمس، ولكنه يحتاج أيضاً إلى أن يصبح بارداً جداً لتوليد الكهرباء من سماء الليل. وعادة ما تكون المادة التي جيدة في امتصاص ضوء الشمس جيدة أيضاً في إشعاع الحرارة بعيداً، مما يجعل من الصعب الحفاظ على فرق درجات الحرارة الشديد المطلوب لتوليد الطاقة. علاوة على ذلك، فإن معظم المواد ثابتة؛ فهي تتصرف بنفس الطريقة سواء كانت الشمس مشرقة أو كانت النجوم هي السائدة. ولحل هذه المشكلة، بحث الباحثون عن مواد يمكنها تغيير سلوكها تلقائياً، لتعمل مثل "جلد ذكي" يعرف متى يمتص الحرارة ومتى يسمح لها بالهروب.
لقد أثبت فريق من الباحثين في جامعة ولاية أريزونا الآن جهازاً يفعل هذا بالضبط، حيث يولد الكهرباء باستمرار على مدار أربع وعشرين ساعة باستخدام لا شيء سوى الشمس وبرد الفضاء. لقد صنعوا طلاءً خاصاً يوضع فوق مجموعة من الوحدات الكهروحرارية — وهي أجهزة تحول فروق درجات الحرارة مباشرة إلى كهرباء. يتكون هذا الطلاء من طبقة رقيقة من ثاني أكسيد الفاناديوم، وهي مادة تغير بنيتها الداخلية بناءً على درجة الحرارة. عندما تضرب الشمس الطلاء ويسخن، فإنه ينتقل إلى حالة تعمل كممتص مثالي للطاقة الشمسية، حيث يمتص الضوء مع حبس الحرارة. وعندما تغرب الشمس وتبرد الطبقة، فإنها تتحول مرة أخرى، لتصبح مشعاً عالي الكفاءة يطلق الحرارة في السماء الباردة. هذا التحول ذاتي التكيف يحدث دون أي ضوابط خارجية، أو بطاريات، أو مستشعرات، مدفوعاً بالكامل بدرجة حرارة الطلاء نفسه.
صمم الباحثون هذا الطلاء بدقة كبيرة، حيث وضعوا طبقات من مواد مختلفة لضمان عمل المفتاح تماماً حيث تبرز الحاجة إليه. لقد وضعوا فيلم ثاني أكسيد الفاناديوم على قاعدة من السيليكون، يفصل بينهما طبقة فاصلة تساعد في ضبط طريقة تفاعل الضوء مع السطح. في النهار، عندما يسخن ثاني أكسيد الفاناديوم، يمتص الطلاء 90 بالمائة من ضوء الشمس الساقط عليه، لكنه يعكس معظم الحرارة تحت الحمراء، مما يحافظ على سخونة الجهاز. وفي الليل، عندما تبرد المادة تحت نقطة معينة، تصبح شفافة للأشعة تحت الحمراء في نطاق محدد، مما يسمح للجهاز بإشعاع حرارته بكفاءة نحو الغلاف الجوي. وهذا يخلق فرقاً كبيراً في كيفية انبعاث الحرارة من السطح بين النهار والليل، وهو تغير قدره 0.62 في قدرة السطح على إشعاع الطاقة، وهو قفزة كبيرة لهذا النوع من المواد.
ولاختبار ما إذا كان هذا المفهوم يمكن أن يولد طاقة بالفعل، أخذ الفريق جهازهم إلى الهواء الطلق وشغله عبر دورات يوم وليلة كاملة. اختبروا النظام في بيئتين: داخل غرفة مفرغة من الهواء العالي لإزالة تأثير الرياح في التبريد، وفي الهواء الطلق حيث تلعب عملية الحمل الحراري دوراً. في الفراغ، أثبت الجهاز جدارته بتوليد 1.64 واط لكل متر مربع حول وقت الظهيرة. كانت هذه القوة تزيد بنسبة 28 بالمائة عن الطاقة التي يمكن أن ينتجها سطح أسود قياسي تحت نفس الظروف. ومع حلول الليل، قلب الجهاز وضعه وبدأ في توليد الكهرباء من البرودة مرة أخرى، منتجاً 26 ميلي واط لكل متر مربع. كان هذا أكثر بنسبة 63 بالمائة مما حققه السطح الأسود في الليل. سمحت القدرة على التبديل بين هذين الوضعين للجهاز بإنتاج تيار مستمر من الكهرباء، حيث يرتفع الجهد خلال النهار وينخفض إلى قيم سالبة في الليل مع انعكاس فرق درجات الحرارة.
عندما نقل الباحثون الاختبار إلى الهواء الطلق، كانت النتائج أقل قليلاً بسبب تأثير تبريد الرياح، لكن الجهاز لا يزال يتفوق على السطح الأسود القياسي. في حرارة يوم صيفي، وصل الجهاز المطلي إلى درجة حرارة 87 درجة مئوية، بينما وصلت العينة السوداء غير المطلية إلى 67 درجة مئوية فقط. ترجمت هذه الحرارة الإضافية إلى إنتاج طاقة قدره 0.48 واط لكل متر مربع عند الظهر، وهو تحسن بنسبة 14 بالمائة عن العينة السوداء. وفي الليل، استمر الجهاز في توليد الطاقة، رغم أن وجود الهواء قلل من فرق درجات الحرارة قليلاً. وحتى مع هذه التحدات الواقعية، حافظ النظام على دورة مستمرة من توليد الطاقة، مما أثبت أن الطلاء ذاتي التكيف يعمل خارج المختبر.
كما قارنت الدراسة بين طلاءهم الذكي ومواد متخصصة أخرى لمعرفة مدى اقترابهم من الحدود النظرية. فقد اختبروا ممتصاً شمسياً شبه مثالي ومبرداً إشعاعياً عالي الانتقائية مصنوعاً من فلوريد الليثيوم. وأظهرت هذه المواد المرجعية أنه لا يزال هناك مجال للتحسين في التصميم، حيث لم يصل الطلاء الذكي تماماً إلى ذروة أداء المواد المتخصصة أحادية الغرض. ومع ذلك، فإن قدرة الطلاء الذكي على القيام بالوظيفتين في حزمة واحدة، والتبديل تلقائياً، توفر مساراً عملياً للمضي قدماً. لقد أظهر الباحثون أن جهازاً واحداً يمكنه إنتاج جهود دائرة مفتوحة تتراوح بين 433 ميلي فولت خلال النهار إلى -62 ميلي فولت في الليل في الفراغ، ومن 300 ميلي فولت إلى -51 ميلي فولت في الهواء الطلق. هذه الدورة المستمرة لتوليد الطاقة على مدار أربع وعشرين ساعة، المدفوعة بمادة تغير خصائصها الخاصة استجابةً للطقس، تمثل خطوة مهمة نحو حصاد الطاقة المستدام والمستقر الذي لا يتطلب أجزاءً متحركة ولا تدخلاً بشرياً.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.