تامین انرژی تجدیدپذیر از دل شب تاریک و سرد

دو سال قبل در یکی از شب‌‌های سرد و زمستانی کالیفرنیا بود که پژوهشگران توانستند تنها باکمک هوای سرد شب‌‌هنگام، یک لامپ کوچک را روی پشت بام دانشگاه استنفورد روشن کنند. البته این لامپ نور چندان زیادی نداشت؛ ولی همین آزمایش کوچک برای اثبات امکان تولید انرژی تجدیدپذیر حتی در ساعات پس از غروب آفتاب کافی بود.

به‌‌تازگی وی لی و شانهوی فن از دانشکده‌‌ی مهندسی دانشگاه استفورد به‌‌همراه آسواث رامان، دانشمند علم مواد از دانشگاه کالیفرنیای لس آنجلس توانسته‌‌اند دستگاهی را تولید کنند که با هدایت جریان هوای گرم یه‌‌جای مانده از روز به بخش در معرض هوای سرد، ولتاژ خروجی تولید می‌‌کند. رامان می‌‌گوید:

پژوهش ما نشان‌‌دهنده‌‌ی فرصت موجود در بهره‌‌گیری از انرژی سرمای فضای آزاد به‌‌عنوان یک منبع انرژی تجدیدپذیر است. ما فکر می‌‌کنیم این [پژوهش] مبنای یک فناوری مکمل برای انرژی خورشیدی خواهد بود. با اینکه توان خروجی به‌‌طرز چشمگیری پایین‌‌تر است، ولی می‌‌توان در ساعاتی کارکرد داشته باشد که سلول خورشیدی قادر به تولید نیست.

انرژی خورشیدی با تمام مزایایی که دارد، یک منبع انرژی ۲۴ ساعته محسوب نمی‌‌شود. البته می‌‌توان بخشی از انرژی را در یک باتری بزرگ ذخیره کرد یا حتی از انرژی مازاد برای پمپاژ آب به یک مخزن استفاده کرد. اما تا زمانی‌که این راهکارها به‌‌صورت تجاری درآیند، می‌‌توان روی انرژی تجدیدپذیر دسترس‌‌پذیر در ساعات شب حساب کرد.

بیش‌‌تر مردم در ساعات پس از غروب آفتاب به منازل خود بازمی‌‌گردند و این همان زمانی است که شبکه‌ی برق معمولا با حداکثر تقاضای انرژی در بخش خانگی و شهری مواجه است. متاسفانه در حال حاضر ما اغلب برای جبران این کمبود انرژی به سوخت‌‌های فسیلی روی می‌‌آوریم. این موضوع برای افرادی که به شبکه‌‌ی برق دسترسی ندارند، به‌‌معنای محدودیت بیشتر در استفاده از انرژی برق و تجهیزات پرمصرف خواهد بود.

شانهوی فن از جمله کارشناسانی است که نیاز به انرژی تجدیدپذیر در طول ساعات شب را به‌‌ خوبی درک کرده است. او روی فناوری مربوط به چندین دستگاه مشابه کار کرده که یکی از آن‌‌ها شامل نوعی سلول فتوولتائیک است که می‌‌تواند با جذب تشعشعات حرارتی ناشی از زمین گرم‌‌شده در طول روز مقداری الکتریسیته تولید کند. البته کارکرد صحیح این ابداع هوشمندانه تاحدودی وابسته به طول موج نور ساطع‌‌شده از جسم گرم خواهد بود؛ ولی با این حال چنین تجهیزی می‌‌تواند به‌‌خوبی نحوه‌‌ی کار با اثر ترموالکتریک را نشان دهد.

حتما قبلا درمورد ترموکوپل چیزهایی شنیده‌‌اید. این وسیله می‌‌تواند تفاوت دمایی میان دو منبع را به‌‌شکل اختلاف ولتاژ نشان دهد. در نهایت با برقراری مدار الکتریکی و مصرف انرژی الکتریکی، انرژی گرمایی نیز از منبع گرم به منبع سرد هدایت می‌‌شود.

با دانستن این اصول اولیه، توضیح سازوکار نظری دستگاه جدید نیز چندان پیچیده نخواهد بود. چالش اصلی تنها این است که موادی را بیابیم که بتواند یک ولتاژ قابل‌‌ملاحظه را با کمک اختلاف دمایی موجود در محیط سرد ایجاد کند.

برای این‌‌که بتوانیم هزینه‌‌ها را کنترل کنیم، تیم مذکور موادی را به‌‌کار گرفته‌‌اند که در دسترس عموم مردم است. آن‌‌ها یک ژنراتور ترموالکتریک ارزان تهیه کردند و آن را به یک دیسک آلومینیومی مشکی‌‌رنگ متصل کردند. این دیسک رو به آسمان قرار می‌‌گیرد و انرژی گرمایی جذبی خود را به هوای سرد شب‌‌هنگام ساطع می‌‌کند. ژنراتور نیز در داخل یک محفظه‌‌ی پلی‌‌استایرن عایق‌‌بندی‌‌شده قرار می‌‌گیرد و تنها یک دریچه‌‌ی کوچک شفاف نسبت‌‌به نور فروسرخ روی آن تعبیه می‌‌شود. خروجی ولتاژ ژنراتور نیز به یک لامپ LED کوچک متصل است.

طی مدت زمان ۶ ساعت پس از غروب آفتاب، محفظه‌‌ با کاهش دمای هوای محیط به‌‌آرامی خنک‌‌تر می‌‌شود. این روند تا رسیدن دمای هوا در پشت‌‌بام به آستانه‌‌ی دمای منجمدکننده‌‌ی نیمه شب ادامه می‌‌یابد و همان‌‌طور که حرارت از زمین به‌‌سوی آسمان می‌‌رود، ژنراتور کوچک تعبیه‌‌شده نیز جریان برق کافی برای روشن‌‌ماندن چراغ را فراهم می‌‌آورد.

با این حال، همین نمونه‌‌ی اولیه نیز می‌‌تواند نقطه‌‌ی شروع مناسبی برای یک فناوری باشد. تیم پژوهشی می‌‌گوید تحت شرایط مناسب و درصورت بهینه‌‌سازی فناوری، تولید انرژی تا میزان ۵۰۰ میلی‌‌وات در هر مترمربع دور از ذهن نخواهد بود. رامان می‌‌گوید:

صرف‌نظر از بحث روشنایی، ما باور داریم که این فناوری می‌‌تواند به‌‌شکلی گسترده برای تأمین انرژی در مناطق دورافتاده و هر جای دیگری که نیاز به تولید انرژی در شب باشد، مورد استفاده قرار گیرد.

ما معمولا به‌‌دنبال ایده‌‌هایی درخشان برای ایجاد یک انقلاب در بحث انرژی‌‌های تجدیدپذیر هستیم؛ با این حال، این قضیه نباید موجب غفلت ما از راهکارهای ساده‌‌تر و کوچک‌‌تر در این حوزه شود. راهکارهایی مانند همین فناوری اخیر می‌‌تواند بخشی از نیازهای شبانه‌‌ی ما را تأمین کنند.

نتایج این پژوهش در ژورنال ژول به‌‌چاپ رسیده است.