Reflective, water-permeable diatomite masks doubling output voltage of water- floating single-walled carbon nanotube thermoelectric generators

تخيل جهازاً يمكنه توليد الكهرباء دون أن يكون متصلاً بمقبس حائط أو جالساً بجانب نار. هو لا يحتاج إلى مصدر حرارة في جانب ومصب بارد في الجانب الآخر، كما تفعل معظم مولدات الطاقة. بدلاً من ذلك، يقوم بإنشاء فرق درجات الحرارة الخاص به باستخدام الماء وضوء الشمس. هذا هو مجال المولدات الكهروحرارية التي تطفو على الماء. وهي تعمل وفق مبدأ بسيط: عندما يتبخر الماء من سطح مبلل، فإنه يأخذ الحرارة معه، مما يترك ذلك السطح أبرد من الهواء المحيط. وإذا استطاعت مادة ما امتصاص ضوء الشمس لتبقى دافئة بينما تقوم في الوقت نفسه بتبخير الماء لتبقى باردة، فسيتشكل فجوة حرارية عبر سطحها. ويمكن تحويل هذه الفجوة مباشرة إلى كهرباء. لسنوات، حاول العلماء جعل هذه الأجهزة العائمة أكثر قوة، لكنهم واجهوا مشكلة مستعصية. فضوء الشمس نفسه الذي يسخن الجهاز يقوم أيضاً بتدفئة الأجزاء التي يُفترض أن تظل باردة، مما يلغي فعلياً فرق درجات الحرارة الذي يعتمد عليه الجهاز.

لقد وجد فريق من الباحثين في جامعة توكاي في اليابان طريقة لحل هذه المشكلة عن طريق معالجة جانب التبريد في الجهاز بقناع خاص. فقد اكتشفوا أنه من خلال تغطية منطقة التبريد بمادة تعكس ضوء الشمس مع السماح للماء بالمرور من خلالها في الوقت نفسه، تمكنوا من مضاعفة الكهرباء التي ينتجها الجهاز. وكان مفتاح نجاحهم هو مادة تسمى "الدياتوميت" (Diatomite)، وهي مسحوق طبيعي مكون من الأصداف المتحجرة لكائنات مجهرية. هذه المادة مسامية وبيضاء اللون بطبيعتها. وعندما طبق الباحثون طبقة منها على جانب التبريد لمولدهم العائم، عملت مثل المرآة، حيث تعكس حرارة الشمس بعيداً، بينما تسمح ثقوبها الصغيرة للماء بالمرور والتبخر. وكانت النتيجة جهازاً ظل أبرد بكثير في أحد جوانبه، مما خلق فجوة حرارية أكبر بكثير، وبالتالي إشارة كهربائية أقوى بكثير.

يُبنى الجهاز نفسه من غشاء رقيق قائم بذاته من أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار، وهي أشكال كربونية متناهية الصغر تشبه الأنابيب. هذا الغشاء خفيف ومرن وقوي بما يكفي للطفو. ويتم وضعه على لوح بلاستيكي به ثقوب مستطيلة، مما يسمح للماء بالصعود عبر الغشاء عن طريق الخاصية الشعرية، تماماً مثل حركة الماء في مناديل الورق. وعندما يصل الماء إلى سطح الغشاء، يتبخر، مما يبرد تلك المنطقة تحديداً. أما بقية الغشاء، المعرض لضوء الشمس ولكن غير الملامس للماء، فيبقى دافئاً. وهذا الاختلاف في درجة الحرارة عبر الغشاء يولد جهداً كهربائياً. وفي النسخ السابقة من هذا الجهاز، كان السطح بأكمله، بما في ذلك منطقة التبريد، يمتص ضوء الشمس، مما يؤدي لتسخين منطقة التبريد وإضعاف فرق درجات الحرارة. أدرك الباحثون أنه للحصول على طاقة أكبر، يحتاجون إلى منع الشمس من تسخين منطقة التبريد دون منع تبخر الماء.

لاختبار هذه الفكرة، بنى الفريق أربعة إصدارات مختلفة من المولد العائم. كان الجهاز الأول عبارة عن جهاز تحكم بدون أي قناع على الإطلاق. والثاني مغطى بقناع أبيض صلب مصنوع من راتنج الأكريليك، والذي يعكس ضوء الشمس بشكل جيد ولكنه يمنع مرور الماء. والثالث عبارة عن قناع ذي طبقتين، حيث يحتوي على نفس راتنج الأكريليك في الأسفل وطبقة من الدياتوميت في الأعلى؛ هذا القناع يعكس الضوء ولكنه لا يزال يمنع مسار الماء لأن الراتينج يسد السطح. أما الجهاز الرابع، فقد تمت تغطيته بطبقة الدياتوميت فقط، والتي تعكس الضوء وتسمح للماء بالمرور من خلال مسامها. وضعوا جميع الأجهزة الأربعة في حاوية من الماء تحت شمس اصطناعية ساطعة تحاكي شدة يوم صافٍ، وقاموا بقياس الكهرباء المنتجة وكمية الماء المتبخر على مدار ثلاثين دقيقة.

أظهرت النتائج فائزاً واضحاً. أنتج الجهاز غير المقنع جهداً صغيراً قدره 0.25 ميلي فولت. أما الأجهزة ذات الأقنعة البيضاء الصلبة، التي تعكس الشمس ولكن توقف تدفق الماء، فقد أنتجت جهداً أعلى قليلاً قدره 0.34 ميلي فولت. أثبت هذا التحسن أن عكس ضوء الشمس بعيداً ساعد، رغم أنه كلف بعض التبريد التبخيري. ومع ذلك، فإن الجهاز ذو قناع الدياتوميت، الذي يعكس الشمس ويسمح بمرور الماء في آن واحد، أنتج جهداً قدره 0.50 ميلي فولت. لقد ضاعف هذا بالضبط إنتاج الجهاز غير المقنع. كما سمح قناع الدياتوميت بتبخر أكبر كمية من الماء، حيث فُقد 670 مليجرام في ثلاثين دقيقة، مقارنة بـ 535 مليجرام للجهاز غير المقنع. إذ أدت البنية المسامية للدياتوميت إلى زيادة مساحة السطح حيث يمكن للماء أن يتحول إلى بخار، مما عزز تأثير التبريد، بينما حافظ اللون الأبيض على إبعاد حرارة الشمس.

حلل الباحثون بعناية سبب نجاح هذا المزيج. ووجدوا أن المكسب في الطاقة جاء من مصدرين متميزين أضاف كل منهما للآخر بشكل مثالي. المصدر الأول كان انعكاس ضوء الشمس، الذي منع منطقة التبريد من السخونة. والمصدر الثاني كان استمرار تبخر الماء من خلال القناع المسامي، والذي يسحب الحرارة بفعالية. وعندما قارنوا بين الأجهزة، رأوا أن مجرد عكس الضوء دون السماح بمرور الماء أعطى دفعة بسيطة، لكن فتح مسار الماء مع الحفاظ على الانعكاس أعطى دفعة أكبر بكثير. لقد نجح قناع الدياتوميت في القيام بالأمرين معاً. وحسب الفريق أن فرق درجات الحرارة عبر الغشاء في أفضل جهاز كان 2.60 درجة مئوية، وهو ضعف الـ 1.30 درجة التي لوحظت في النسخة غير المقنعة. وقد أدى مضاعفة فجوة درجات الحرارة هذا مباشرة إلى مضاعفة المخرجات الكهربائية.

هذا الاكتشاف مهم لأنه يظهر طريقة جديدة لتحسين حصاد الطاقة من البيئة. تتطلب معظم الأجهزة الكهروحرارية إمداداً ثابتاً من الحرارة من جانب واحداً وإمداداً ثابتاً من البرودة من الجانب الآخر، مما يحد من أماكن استخدامها. الأجهزة التي تنشئ فرق درجات الحرارة الخاص بها يمكنها العمل في أي مكان يتوفر فيه الماء والضوء، مما يجعلها مثالية للمستشعرات التي تعمل دون مراقبة في البحيرات أو المحيطات. تثبت الدراسة أنك لست بحاجة لتغيير المادة الأساسية للمولد لجعلها أفضل؛ بل تحتاج فقط إلى هندسة السطح المواجه لجانب التبريد. ومن خلال استخدام مادة تكون عاكسة ونفاذة في آن واحد، نجح الباحثون في إنشاء طبقة تبريد أكثر فعالية من أي تصميم سابق. وقد تبين أن قناع الدياتوميت، وهو مركب بسيط من أصداف السيليكا الطبيعية ورابط من الجبس، هو الحل الأمثل، مما يوفر مساراً عملياً لمصادر طاقة أكثر قوة واستدامة ذاتية في المستقبل.