Continuous harvesting of intermittent and continuous heats by a mixed ion/electron thermoelectric generator using an ionogel blended with carbon nanotube ionogels

رحلة البحث عن الحرارة العظمى: تحويل الدفء إلى طاقة

تخيل أن جسدك مدينة صاخبة. في كل مرة تتحرك فيها، أو تفكر، أو حتى تجلس فحسب، تحرق خلاياك الوقود، وتنتج منتجًا ثانويًا: الحرارة. في الواقع، كل ما نفعله تقريبًا — من قيادة سيارة إلى غلي الماء للشاي — يسرب كمية هائلة من هذه الطاقة الحرارية. عادةً ما تتلاشى هذه الحرارة في الهواء، وهي هدية ضائعة لا يمكننا استخدامها. حاول العلماء منذ فترة طويلة الإمساك بهذه "الحرارة المهدرة" وتحويلها مجددًا إلى كهرباء، النوع الذي يشغل هواتفنا وأضواءنا. المتهمون المعتادون في هذه المهمة هم مواد صلبة تسمى المواد الكهروحرارية. فكر فيها كجسور صلبة صغيرة حيث تدفع الحرارة الإلكترونات (جسيمات مشحونة صغيرة) من الجانب الساخن إلى الجانب البارد، مما يخلق تدفقًا للكهرباء. لكن هناك عقبة: هذه الجسور الصلبة غالبًا ما تكون متطلبة. فهي تعمل بشكل رائع عندما تتغير الحرارة بسرعة، ولكن إذا ظلت درجة الحرارة ثابتة، فإنها غالبًا ما تتوقف عن إنتاج الطاقة. الأمر يشبه عجلة مائية تدور بجنون عندما يفيض النهر، لكنها تتوقف تمامًا عندما يكون مستوى الماء مناسبًا ومستقرًا.

هنا تبرز فكرة أحدث وأغرب: استخدام سوائل تعمل مثل المواد الصلبة (تسمى الأيونوجيل - ionogels) لحصاد الحرارة. هذه المواد مليئة بالأيونات (ذرات مشحونة) تعشق الحركة عندما يكون هناك فرق في درجات الحرارة. عندما تسخن أحد طرفي السائل، تندفع الأيونات نحو الجانب البارد، مما يخلق جهدًا كهربائيًا. هذه طريقة فائقة الكفاءة لتوليد الطاقة، ولكن بها عيب رئيسي: بمجرد أن تتراكم الأيونات عند الطرف البارد، تتوقف عن الحركة، وتتوقف الكهرباء. الأمر يشبه دلوًا يمتلئ بالماء؛ بمجرد أن يمتلئ، يتوقف التدفق ما لم تقلب الدلو. وهذا يعني أن هذه الأجهزة "الأيونية" يمكنها حصاد الحرارة فقط عندما تكون الحرارة متغيرة باستمرار، مثل شمعة تومض، لكنها تصمت تحت شمس دافئة وثابتة. السؤال الكبير الذي طرحه العلماء هو: هل يمكننا بناء جهاز يستخدم القوة الفائقة لهذه الأيونات المتحركة ويحافظ أيضًا على تدفق الكهرباء حتى عندما تظل الحرارة ثابتة تمامًا؟

قصة الورقة البحثية: فريق من العدائين وجسر سحري

تقول هذه الورقة البحثية التي كتبها ياو وانغ، وتشي كيان، وجيان يونغ أويانغ من جامعة سنغافورة الوطنية، "نعم، يمكننا ذلك!". لقد صنعوا نوعًا جديدًا من المولد يسمى مولد الكهروحرارية المختلط الأيون/الإلكترون، أو MTEG اختصارًا. لفهم كيفية عمله، تخيل سباق تتابع. في الجهاز الأيوني القياسي، يكون العداؤون هم الأيونات (جسيمات مشحونة) تحمل عصا الطاقة. ينطلقون بسرعة من الجانب الساخن إلى الجانب البارد، ولكن بمجرد وصولهم إلى خط النهاية، يعلقون هناك، وينتهي السباق. أدرك المؤلفون أنه إذا استطاعوا إضافة فريق ثانٍ من العدائين — الإلكترونات (أو في هذه الحالة، "الثقوب"، وهي مثل المقاعد الفارغة التي تنتظر أن تُملأ) — التي يمكنها الركض عائدة من الجانب البارد إلى الجانب الساخن، فيمكنهم إبقاء السباق مستمرًا للأبد.

ولتحقيق ذلك، صنعوا "هلامًا" خاصًا يسمى الأيونوجيل. هذا الهلام مكون من ملح سائل (EMIM:DCA) محبوس داخل شبكة جيلاتينية. هذا الهلام ممتاز في تحريك الأيونات. ولكن للحصول على الفريق الثاني من العدائين، قاموا بخلط أنابيب دقيقة للغاية تسمى أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار (SWNTs) داخل الهلام. فكر في هذه الأنابيب النانوية كأنها نظام طرق سريعة مجهري منسوج عبر الهلام. يحدث السحر عندما يخلط الفريق الكمية المناسبة تمامًا من هذه الأنابيب في الهلام.

إليك الجزء الذكي: عندما يطبق الفريق فرقًا ثابتًا في درجة الحرارة (جانب ساخن وجانب بارد)، تندفع الأيونات في الهلام نحو الجانب البارد، مما يخلق جهدًا كهربائيًا هائلًا. هذا هو "تأثير سوريت" (Soret effect)، وهو اسم معقد للحركة الأيونية المدفوعة بالحرارة. في الهلام العادي، ستتراكم الأيونات فحسب وتتوقف. ولكن في جهاز MTEG الجديد هذا، يكون الجهد الناتج عن الأيونات قويًا جدما بحيث يدفع "الثقوب" (الشحنات الإلكترونية) للنفق عبر طريق أنابيب الكربون النانوية، والركض عائدة من الجانب البارد إلى الجانب الساخن. هذا يخلق حلقة مثالية: الأيونات تذهب في اتجاه واحد، والثقوب تذهب في الاتجاه الآخر، وتستمر الكهرباء في التدفق بثبات، تمامًا مثل المولد التقليدي، ولكن مع طاقة أكبر.

ما وجدوه: المنطقة المثالية والتيار المستمر

اختبر الباحثون جهاز MTEG الخاص بهم مع كميات مختلفة من أنابيب الكربون النانوية، بحثًا عن منطقة "غولديلوكس" (المنطقة المثالية) — ليست قليلة جدًا ولا كثيرة جدًا. وجدوا أنه إذا أضافوا الكثير من الأنابيب النانوية، فسيعمل الجهاز كمولد إلكتروني قياسي، وهو أقل كفاءة. وإذا لم يضيفوا أي منها، فسيعمل كالجهاز الأيوني القديم الذي يتوقف عن العمل تحت الحرارة الثابتة. ولكن عند كمية محددة جدًا وصغيرة للغاية — وهي 0.10% (نسبة مئوية وزنية) من الأنابيب النانوية — أصبح الجهاز نجمًا متألقًا.

عند هذا التحميل المثالي، استطاع الجهاز توليد جهد خرج ثابت قدره حوالي 29 ميلي فولت عبر حمل قدره 40 كيلو أوم عندما كان فرق درجات الحرارة مجرد 3 درجات مئوية فقط. والأكثر إثارة للإعجاب هو أن الجهاز استمر في العمل بهدوء وثبات لمدة 16 ساعة دون توقف. وفي المق المقابل، كان الجهاز الأيوني من الطراز القديم (بدون أنابيب نانوية) سيفقد طاقته ويهبط إلى صفر فولت في أقل من ساعة.

قاس الفريق "القدرة الحرارية" (مدى جودة المادة في تحويل الحرارة إلى جهد) ووجدوا أنها تبلغ 11.3 ميلي فولت·كلفن⁻¹. ولو وضعت ذلك في الاعتبار، فإن هذا الرقم أفضل بـ 10 إلى 100 مرة من أفضل المواد الإلكترونية الصلبة المستخدمة حاليًا في المسابير الفضائية والأجهزة عالية التقنية. كما حسبوا كثافة الطاقة، ووجدوا أن أفضل أجهزتهم أنتج 52.2 واط·م⁻³، وهو أعلى بكثير من المحاولات السابقة باستخدام مواد مختلفة مثل الجرافين.

لماذا يهم هذا (وما ليس كذلك)

المؤلفون واضحون جدًا بشأن ما ليس عليه هذا الجهاز. إنه ليس صندوقًا سحريًا يعمل بشكل أفضل من كل شيء آخر في كل المواقف. لقد استبعدوا صراحة فكرة أن هذا مجرد دمج لمكثف أيوني قديم ومولد إلكتروني قياسي ملتصقين معًا. بدلاً من ذلك، أظهروا أن النوعين من الشحنات (الأيونات والثقوب) يعملان معًا في مادة واحدة مختلطة. كما أوضحوا أن مخرجات الطاقة الثابتة هذه تعتمد على آلية محددة: "النفق" (tunneling) للثقوب عبر شبكة الأنابيب النانوية، والمدفوع بحركة الأيونات. إذا كانت الأنابيب النانوية كثيفة جدًا، فإن هذا التوازن الدقيق ينكسر، ويعود الجهاز ليتصرف كمولد إلكتروني قياسي أقل كفاءة.

تشير الورقة البحثية إلى أن هذا النهج يفتح الباب لحصاد الحرارة "منخفضة الدرجة" — مثل الدفء اللطيف المنبعث من شريحة كمبيوتر، أو جسم الإنسان، أو أنبوب دافئ — وهي حرارة ضعيفة للغاية أو مستقرة للغاية بالنسبة للمولدات التقليدية لالتقاطها. وبينما لا يدعي المؤلفون أنهم حلوا أزمة الطاقة العالمية، فقد أثبتوا نموذجًا أوليًا يعمل لتحويل الدفء اللطيف والمستمر إلى تيار مستمر من الكهرباء، وهو أمر كان يُعتقد سابقًا أنه مستحيل لهذا النوع من المواد. الخلاصة الرئيسية هي أنه من خلال خلط قدرة السائل على تحريك الأيونات مع قدرة الصلب على تحريك الإلكترونات، صنعوا محركًا هجينًا لا يتوقف أبدًا، طالما يوجد فرق في درجات الحرارة.