تأخذك إلى أعماق الفكر

توليد الطاقة الكهربائية من المخلفات الحرارية

يستطيع هذا الجهاز الصغير المعتَمِد على السيليكون والمطَوَّر في مختبرات سانديا الوطنيّة التقاط المخلفات الحرارية وتحويلها إلى طاقة كهربائية. تَتمُّ صناعة الريكتينا [الأنتين المعدل] وهي اختصار لكلمتيّ Rectifying Antenna من مواد الألمنيوم والسيليكون وثاني أكسيد السيليكون باستعمال طرق معياريّة في صناعة الدارات المتكاملة.

يُعتبر تحويل الطاقة الكهربائية بشكل مباشر إلى طاقة حراريّة أمرًا سهلًا، فهو يحدث بشكل منتظم في محمصَة الخبز إذا ما قمت بالتحميص بشكل منتظم. على العكس تمامًا من عملية تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية فهي لا تبدو كذلك. ونظرًا لهذا، فقد طوَّر الباحثون في مختبرات سانديا الوطنية جهازًا صغيرًا يعتمد على السيليكون للاستفادة ممَّا كان يسمى بالمخلفات الحرارية وتحويلها إلى طاقة كهربائية بالتيّار المستمر وتم نشر التقدّم الذي حققوه في مجلة فيزيكال ريفيو أبلايد Physical Review Applied.

وصرّح بول ديفد، المتخصص في الفيزياء والباحث الأساسي في الدراسة، قائلًا:

لقد طوّرنا طريقة جديدة لاستعادة الطاقة من المخلفات الحرارية. انظر إلى كميّة الطاقة الحرارية التي تُنتجها محرِّكات السيارات وهذه الحرارة كلّها مخلفات. فتخيّل لو كان بإمكانك تحويل حرارة ذلك المحرِّك إلى طاقة كهربائية لسيارات الهايبريد. وهذه أول خطوة في هذا الاتجاه ويتطلَّب منّا الأمر فعل الكثير.

وأضاف:

نتطلّع في المدى القريب إلى تزويد بالأشعة تحت الحمراء لاحتمال استبدال مولدات النظير الإشعاعيّ الحراريّ الكهربائي.

تَستعمل مولِّدات تسمى RTGS في مهمَّات مثل، أن تكون حساسات مزودة بالطاقة لأداء مهمّات فضائية والتي لا تحصل على ضوء الشمس لمدِّ ألواح الطاقة الشمسية. يتم تصنع أجهزة ديفد من مواد متوفرة وشائعة مثل، الألمينيوم والسيليكون وثاني أكسيد السيليكون أو الزجاج. ويتم جمع هذه المواد بطرق غير معروفة. ويلتقط جهاز السيليكون الحرارة ويُدخلها في قنوات ويحوِّلها إلى مقدار طاقة أقل من أصبع الخنصر.

ويتراوح طول وعرض الجهاز بين 1/8 إنش و1/8 إنش. وهذا نصف كثافة عملة معدنية. في الأعلى يكون الألمينيوم المحفوف بخطوط أصغر ب20 مرة من عرض شعر الإنسان. يمثل هذا النمط هوائيًّا لالتقاط الأشعة تحت الحمراء رغم أنّه أصغر من أن نراه بالعين المجردة. وما بين الألمينيوم الأعلى والسيليكون الأسفل طبقة ضعيفة من ثاني أكسيد السيليكون وتصل كثافتها إلى 20 ذرة من السيليكون أو أضعف ب16000 مرّة من شعر الإنسان.

إعلان

ففي هذه الطبقة الضعيفة، يُمرِّر هوائي الألمينيوم الأشعة تحت الحمراء من خلال قنوات فتُنشِئ الأشعة تحت الحمراء الواقعة في طبقة ثاني أوكسيد السيليكون ذبذبات كهربائية سريعة جدًا تصل إلى 50 ترليون مرة في الثانية الواحدة تقريبًا. وهذا بدوره يؤرجح الإلكترونات بين الألمينيوم والسيليكون بأسلوب غير متناسق. يتولّد عن هذه العملية التي تُعرف بتعديل شبكة التيار الكهربائي المستمر. يسمّي الفريق الجهاز الذي يقوم بهذه العملية ريكتينا الأشعة تحت الحمراء وهي مزيج من كلمتي rectifying Antenna وهو جهاز صلب ثابت لا يوجد فيه أجزاء تتحرك للضغط أو الانحناء أو الكسر.

كما أنه لا يستلزم لمس مصدر الحرارة بشكل مباشر للتسبب بالضغط الحراري. وقال جوشو شانك مهندس الكهرباء وكاتب البحث الأول حول هذا الموضوع:

نستعمل في إنتاج ريكتينا الأشعة تحت الحمراء عمليات شائعة قابلة للقياس؛ إذ أنَّ العمليات المستخدمة في صناعة ريكتينا الأشعة تحت الحمراء هي ذاتها المستخدمة في صناعة الدارات المتكاملة. فهي قابلة للقياس في هذا الباب.

ويُذكر أنّ جوشو شانك اختبر فعاليّة الأجهزة ووضع الخطوط العريضة لمبادئ الفيزياء التي تعمل بها وهو في مرحلة بحوث ما بعد الدكتوراه في سانديا.

وأضاف:

لقد ركّزنا بشكل مقصود على المواد والعمليّات الشائعة التي تعتبر قابلة للقياس. وعليه، فإنّ عملية إنتاج دارة متكاملة تجارية يمكنها صناعة هذه الريكتينات، بيد أن هذا لا يدعو إلى القول بأن إنشاء الجهاز الحالي بهذه السهولة.

وقال روب ياريكي مهندس الإنتاج الذي تولى تطوير العملية:

هناك تعقيدات كثيرة في هذا الموضوع وتتطلب صناعة الأجهزة كافة أشكال التحضير.

“ويتمثّل أحد أكبر التحدّيات في عملية الإنتاج في إضافة عناصر أخرى إلى السيليكون أو تخديره ليكون بإمكانه عكس ضوء الأشعة تحت الحمراء مثل المعدن”. وأضاف قائلًا: “بالطبع أنت لا تخدِّر السيليكون حتى الموت، أي أنّك لا تحيله إلى معدن لأن لديك معادن لهذا الغرض، وتتطلب هذه الحالة سيليكون مخدّرًا دون الحاجة إلى تخريبه”.

تمت صناعة الأجهزة في أنظمة سانديا الهندسية المصغّرة بعلم وتطبيقات معقّدة. وكنتيجة لذلك، تم إعطاء الفريق براءة اختراع عن ركتينا الأشعة تحت الحمراء وتقديم براءات اختراع عديدة. تُنتَج نسخة ريكتينا الأشعة تحت الحمراء التي تم نقلها عن الفريق في مجلة Physical Review حوالي 8 نانوواط من الطاقة لكل سنتيمتر مربع من مصباح حراري تبلغ درجة حرارته حوالي 840.

تستهلك الآلة الحاسبة المشحونة بالطاقة الشمسية حوالي 5 مايكروواط، لذلك تتطلب ورقة من ريكتينا الأشعة تحت الحمراء أكبر بقليل من الحجم المعياري لقطعة من الورق لتزويد الحاسبة بالطاقة. وعليه، فإن لدى الفريق المزيد من الأفكار حول تحسينات مستقبلية لزيادة فعاليّة الريكتينا.

العمل المستقبلي لجعل ركتينا الأشعة تحت الحمراء فعالا:

تشمل هذه الأفكار جعل النقش الأعلى بمقياس 2d x بدلًا من الخطوط التي تكون بمقياس 1d لامتصاص ضوء الأشعة تحت الحمراء في كافة عمليات الاستقطاب

[bs-quote quote=”Great things in business are never done by one person. They are done by a team of people.” style=”default” align=”center” author_name=”Steve Jobs” author_job=”Apple co-founder” author_avatar=”https://www.elmahatta.com/wp-content/plugins/blockquote-pack-pro/img/other/steve-jobs.png”][/bs-quote]

يعتقد ديفد أنّ خلال خمس سنوات ربما تكون ريكتينا الأشعة تحت الحمراء بديلًا لما يعرف بـRTGS لمزودات الطاقة. وقال شانك:

“ينبغي الاستمرار في التطوير حتى تكون الريكتينا بجودة تقارن بـRTGS. بيد أن أجهزة الريكتينا ستكون مفيدة لأي تطبيق عندما تحتاج شيئًا يعمل على المدى البعيد ولا يمكنك تغيير البطارية. وعلى الرغم من ذلك، لن يكون اختراعنا بديلًا عن الألواح الشمسية بصفته مصدرًا للطاقة الشبكيّة في المدى القريب على الأقل”.

وأضاف ديفد:

لقد كنّا نحلِّل المشكلة وبدأنا نصل إلى النقطة التي نرى فيها مكاسب كبيرة نسبيًّا في تحويل الطاقة وأعتقد أن هناك طريق نحو بديل للكهرباء الحرارية. ومن الجيّد الوصول إلى هذه النقطة ومن الأفضل زيادتها وتغيير العالم إذا أمكن ذلك.

إعلان

مصدر مصدر الترجمة
فريق الإعداد

إعداد: عمر العجيمي

تدقيق لغوي: فاطمة الملّاح

هذا المقال يعبر عن رأي كاتبه، ولا يعبر بالضرورة عن سياسة المحطة.