خلاقيت‌هاي علمي و توليد برق

از همان زمان كه توماس اديسون براي نخستين بار لامپ روشنايي را با استفاده از جريان الكتريسيته روشن كرد، دستيابي به منابع پايدار توليدكننده اين انرژي يكي از موضوعات اصلي مورد توجه او و دانشمندان پس از او بوده است. البته در آن دوران و با توجه به پيشرفت‌هاي جسته و گريخته‌اي كه در زمينه دانش سدسازي و ساخت توربين‌هاي متنوع صورت مي‌گرفت، دستيابي به منابع توليد برق چندان مايه نگراني نبوده است، اما با گذشت زمان و افزايش خيره‌كننده جمعيت زمين و به دنبال آن رشد تصاعدي كاربران سيستم‌هاي مختلف الكتريكي و از آن مهمتر توسعه خيره‌كننده صنايع گوناگوني كه تنها با برق كار مي‌كنند، موجبات نگراني دانشمندان براي ارائه شيوه‌هاي نوين و اقتصادي‌تر توليد مستمر برق را فراهم كرده است.
استفاده از سلول‌هاي خورشيدي، رويكرد مهم دانشمندان در چند دهه گذشته به عنوان راهكاري موثر براي توليد برق به روشي پاك و در عين حال مستمر بوده است. همچنين توربين‌هاي بادي در كنار توربين‌هاي نصب شده در سدها نيز شيوه‌اي قابل اطمينان براي توليد برق در سطح كلان بوده‌اند، اما حس كنجكاو و ماجراجوي بشر همواره راه را براي نوآوري در تمامي عرصه‌ها باز گذاشته است. شايد تا ديروز توليد برق با استفاده از سلول‌هاي خورشيدي راهكاري خلاقانه براي توليد و ذخيره‌سازي انرژي الكتريسيته بوده است اما امروز اين تكنيك به عنوان راهكاري قديمي شناخته مي‌شود. در سال‌هاي اخير صحبت راه رفتن روي سطوح خاص با هدف توليد مستمر برق است. از آن گذشته در سال‌هاي گذشته ابداعات جالب توجهي نيز در زمينه توليد برق با استفاده از سلول‌هاي خورشيدي صورت گرفته است. استفاده از آينه‌هاي مخصوص براي متمركز ساختن نور خورشيد روي صفحات كه با هدف افزايش توليد برق خورشيدي صورت مي‌گيرد از آن جمله است. اما اين تازه آغاز يك ماجراجويي هيجان‌انگيز است چون به تازگي صحبت از استفاده از كايت‌ها براي توليد برق آن هم با توجيه اقتصادي مطرح شده است.
برآوردها نشان مي‌دهند اگر تنها 3/0 درصد از سطح صحراي سوزان ساهارا در آفريقا با سلول‌هاي خورشيدي پوشيده شود كل نياز سراسر اروپا به انرژي الكتريكي برطرف مي‌شود. پروژه Desertec Foundation كه ابتكار تحقيقاتي مشترك محققان آلمان و اردن است با هدف تحقق همين رويا آغاز به كار كرده است. محققان اين شركت بر اين باورند كه اگر اين رقم به يك درصد برسد مي‌توان تمام برق دنيا را تامين كرد. در راستاي اين پروژه برنامه‌هاي گسترده‌اي براي راه‌اندازي سلول‌هاي خورشيدي در سطح كلان طي 10 تا 15 سال آينده در شمال آفريقا ارائه شده است. پيشبيني دانشمندان بر اين است كه در صورت عملي شدن اين ايده بالغ بر يكصد گيگاوات برق خورشيدي توليد شود كه براي انتقال آن به اروپا و تامين برق مورد نياز 15 درصد از سراسر اين قاره، از كابل‌هاي قدرتمندي استفاده مي‌شود كه زير درياي مديترانه خوابيده‌اند. البته براي تحقق قطعي اين ايده به سرمايه‌گذاري كلاني درحدود 400 ميليارد دلار نياز است كه عملا از عهده يك يا دو كشور خارج است. اما همان‌گونه كه گفته شد استفاده از صفحات خورشيدي براي توليد خلاقانه برق، شيوه جديدي نيست.
دانشمندان چندي است كه روي ايده منحصربه‌فردي همچون كايت‌هاي ويژه پرواز در ارتفاع بالا براي توليد برق كار مي‌كنند. تا همين چند سال پيش اين‌گونه برآورد مي‌شد كه آسمان‌ها براي توليد برق به روش توربين‌هاي بادي محل چندان مناسبي به شمار نمي‌آيند، اما اكنون موتورهاي ستوني ارائه شده‌اند كه در مايل‌ها بالاتر از سطح زمين قابليت توليد برق از توربين‌هاي بايد را دارند. نكته جالب توجه درباره اين موتورها اين است كه برخلاف ساير تكنيك‌هاي ارائه شده براي توليد برق كه با توجه به مختصات جغرافيايي با محدوديت‌هاي زيادي همراه هستند، هيچ محدوديتي در هيچ نقطه‌اي از دنيا براي به كار گرفته شدن ندارند. كن كالديرا از دپارتمان اكولوژي جهاني انستيتو كارنگي در كاليفرنيا مي‌گويد: در بادهايي كه در ارتفاعات بالا مي‌وزد حجم خيره‌كننده‌اي از انرژي وجود دارد. اين بادها در مقايسه با بادهايي كه در نزديك به سطح زمين مي‌وزند بسيار قدرتمندتر و در عين حال پايدارترند اما براي رسيدن به آن ارتفاعات بايد كيلومترها بالا رفت. ارتفاع ايده‌آلي كه براي اين منظور در نظر گرفته شده است بالغ بر 10 كيلومتر است. اما نكته حيرت‌آور اين است كه اگر توربين‌هاي بادي كه در اين ارتفاع راه‌اندازي مي‌شوند تنها وسعتي بالغ بر 10 درصد سطح زمين را اشغال كنند، انرژي الكتريكي كه از بابت فعاليت آنها توليد مي‌شود تا 100 برابر نياز برق سراسر جهان را تامين مي‌كند. جريان‌هاي بسيار شديد بادي كه در حد فاصل ارتفاع 6 تا 20 كيلومتري سطح زمين مي‌وزند از قدرت خيره‌كننده‌اي برخوردارند. البته شدت اين بادها بر اساس فصول مختلف سال با تغييراتي همراه هستند اما در كل به عنوان يكي از مشخصه‌هاي اصلي و هميشگي اتمسفر زمين محسوب مي‌شوند. محاسبات مختلف دانشمندان نشان داده كه اين بادها همواره پايدار هستند و در مقايسه با بادهايي كه در نزديكي سطح زمين مي‌وزند تا 10 بار سريعتر هستند. اين ويژگي‌ها كافي است تا به اين جريان‌هاي بادي به عنوان منبع قابل اطمينان و كلان انرژي نگاه شود.
اما پرسش اساسي اين است كه چگونه انرژي كلان نهفته در بادهايي كه در اين ارتفاع مي‌وزند را به دست آورد؟ پاسخ تنها اين عبارت است: كايت‌ها و سيستم مهاركننده آنها.
برآوردها نشان مي‌دهند اگر تنها 3/0 درصد از سطح صحراي شمال آفريقا با سلول‌هاي خورشيدي پوشيده شود كل نياز سراسر اروپا به انرژي الكتريكي برطرف مي‌شود
تاكنون طيف گسترده‌اي از فناوري‌ها براي به دام انداختن انرژي نهفته در بادهاي مرتفع زمين مورد آزمايش قرار گرفته‌اند كه از آن جمله بايد به توربين‌هاي كايتي شكلي اشاره كرد كه كيلومترها بالاتر از سطح زمين شناور هستند و به وسيله سيستم مهاركننده‌اي كنترل مي‌شوند. در صورتي كه اين ايده تحقق پيدا كند تا 40 مگاوات برق مي‌توان در ارتفاعات بالاي اتمسفر زمين توليد كرده و از طريق كابل‌هاي مهاركننده به زمين و نيروگاه‌ها منتقل كرد. در ماه‌هاي گذشته محققان با استفاده از داده‌هاي آب و هوايي 28 سال گذشته توانسته‌اند تا نخستين بررسي جهاني درباره انرژي باد در ارتفاعات بالا را انجام دهند. كريستينا آشر از دانشمندان علوم اتمسفريك در دانشگاه دولتي كاليفرنيا مي‌گويد: ما دريافتهايم كه متراكمترين انرژي بادي در ارتفاعات بالا، بر فراز ژاپن، شرق چين، ساحل شرقي آمريكا، جنوب استراليا و شمال شرق آفريقا وجود دارد. آشر ادامه مي‌دهد: در چنين مناطقي به ازاي هر مترمربع حدود 10‌‌كيلووات الكتريسيته توليد مي‌شود. البته نمي‌توان چنين عددي را براي مناطق نزديك به سطح زمين متصور شد، جايي كه حتي در بهترين شرايط معمولا كمتر از يك كيلووات برق به ازاي هر مترمربع سطح، توليد مي‌شود. اما در كدام نقاط دنيا مي‌توان در ارتفاعات برق بيشتري توليد كرد؟ تجزيه و تحليل‌ها نشان داده‌اند كه در ارتفاعات مناطقي نظير توكيو، نيويورك، سائوپائولو، سئول و مكزيكوسيتي بيشترين انرژي را از جريان باد مي‌توان به دست آورد. آشر در اين باره نيز مي‌گويد: در ارتفاعات شهري نظير نيويورك به ازاي هر مترمربع 16 كيلووات برق از جريان باد توليد مي‌شود كه حقيقتا فرآيندي اميدواركننده است.
اما اكنون يك مساله جديد مطرح مي‌شود. تحقق چنين ايده‌اي، آن هم در ابعاد بسيار وسيع ممكن است به ايجاد تغييراتي در الگوهاي چرخشي هواي اطراف زمين منجر شود و در نتيجه بر شرايط منطقه‌اي و محلي زمين تاثيرگذار شوند. دانشمندان با انجام شبيه‌سازي‌هاي مختلف به اين نتيجه رسيده‌اند اگر چنين توربين‌هايي در سطح بسيار وسيع در ارتفاعات به كار گرفته شوند، در حكم پوشش وسيعي عمل مي‌كنند كه در نهايت موجب سرمايش نسبي زمين مي‌شوند و اين نتيجه‌اي ندارد جز افزايش ضخامت يخ‌هاي در حال آب شدن زمين كه مي‌تواند خبر خوشي براي دانشمندان و مردم جهان باشد. در كل اطمينان خاطري براي دانشمندان ايجاد شده است كه اگر توسعه اين فناوري تنها متناسب با ميزان تقاضاي جهاني صورت گيرد و نه بيشتر، تا 70 سال آينده هيچ تاثير قابل توجهي بر اوضاع جوي زمين ايجاد نخواهد شد.
گرچه اين ايده كه در آستانه تبديل شدن به يك پروژه عظيم علمي قرار دارد در نوع خود خيز بلندي به سوي حل بحران انرژي در دنيا محسوب مي‌شود، اما بايد پذيرفت اين پروژه و ايده‌هايي همچون آن به تنهايي نياز آينده بشر به انرژي و برق را تامين نمي‌كنند.

استفاده از نانوذرات در توليد برق

محققان به تازگي موفق شده‌اند تا از گرام اما به روشي تازه انرژي الكتريسيته توليد كنند. اين تكنيك نوين به وسيله به دام انداختن مولكول‌هاي ارگانيكي ميان نانوذرات فلزي صورت مي‌گيرد. دانشمندان اين يافته را راهي نوين براي طراحي و ساخت يخچال‌هاي ارزانقيمت و در نهايت دستيابي به منبعي با راندمان بالا در توليد انرژي عنوان مي‌كنند. در حال حاضر حدود 90 درصد الكتريسيته دنيا به وسيله سوزاندن سوخت‌هاي فسيلي توليد مي‌شود. در اين فرآيند گرماي زيادي توليد مي‌شود كه غالبا به شكل بخار است. اين بخار توربيني را مي‌چرخاند كه به واسطه آن ژنراتوري براي توليد برق به كار مي‌افتد، اما اين روش يك تكنيك غيرمستقيم محسوب مي‌شود و در اين فرآيند مقدار زيادي گرما تلف مي‌شود و البته به دنبال آن انرژي قابل توجهي نيز فرار مي‌كند! محققان دانشگاه كاليفرنيا در بركلي مي‌گويند: براي توليد يك وات انرژي به حدود 3 وات حرارت ورودي نياز است كه البته نسبت چندان جالب توجهي به شمار نمي‌آيد. 50 سال است كه دانشمندان در تلاشند شيوه‌اي مناسب براي استفاده از اين حرارت تلف شده ارائه كنند. آنها به اين نتيجه رسيده‌اند كه حتي اگر كسر بسيار كمي از اين حرارت تلف شده به انرژي الكتريسيته تبديل شود بايد آن را پيروزي بزرگي در كاهش استفاده از سوخت‌هاي فسيلي به شمار آورد، اما مشكل اينجاست كه دماي حرارتي كه در اين فرآيند آزاد مي‌شود براي به كار گرفته شدن در موتورهاي حرارتي سنتي بسيار كم است، بنابراين محققان در مدت‌ها پيش كار روي طراحي و توليد مبدل‌هاي ترموالكتريكي را براي تبديل اين حرارت به الكتريسيته آن هم به شيوه‌اي مستقيم‌تر آغاز كرده‌اند.
اين مبدل‌ها بر مبناي پديده‌اي موسوم به تاثير Seebeck عمل ميكنند: هنگامي كه محل اتصال دو فلز در دماهاي متفاوتي نگاه داشته مي‌شوند، تفاوت دمايي موجب مي‌شود كه اين دو فلز واكنش‌هاي متفاوتي از خود نشان دهند كه در نتيجه ولتاژ خاصي توليد مي‌شود، اما چنين مبدل‌هايي در مقايسه با موتورهاي حرارتي سنتي از راندمان كاري كمتري برخوردارند و اساس كار آنها نيز بر استفاده از فلزات گرانقيمت و كمياب بوده كه همين ويژگي‌ها آنها را براي استفاده كلان غيركاربردي مي‌كند.
در مطالعه‌اي جديد، گروهي از دانشمندان دست به ابتكار جالبي زده‌اند و با پوشاندن الكترودهايي از جنس طلا با 3 نوع مولكول ارگانيكي متفاوت امكان توليد ولتاژ خاصي را فراهم مي‌كنند. اين براي نخستين بار است كه تاثير Seebeck در مولكول‌هاي ارگانيكي ديده مي‌شود. گرچه اين ولتاژ تنها در تك‌‌مولكول‌ها ديده شده است، اما محققان در نظر دارند تا اين فرآيند را در چند مولكولي‌ها نيز عملي كنند.
استفاده گسترده از مبدل‌هاي ترموالكتريكي در صورت بهره‌گيري از مواد ارگانيك در عين حال كه ساده‌تر خواهد بود، راندمان كاري بالاتري نيز همراه دارد زيرا اين نوع مواد هم ارزان هستند و هم به مقدار فراوان در طبيعت وجود دارند و از آن مهم‌تر اين‌كه به آساني نيز قابل پردازش هستند. (گرچه در اين مطالعه از الكترودهاي طلا استفاده شده است، اما در آينده براي كاربردي شدن اين فناوري نوين از الكترودهاي سيليكوني يا آهني استفاده خواهد شد.) اين محققان بر اين باورند كه استفاده از مولكول‌هاي ارگانيكي ارزانقيمت و نانوذرات فلزي راهكار موثري براي طراحي و توليد نسل آتي يخچال‌ها و ژنراتورهاي برقي پلاستيك و ارزانقيمت است. البته محققان بر اين نكته نيز تاكيد دارند كه همه چيز هنوز در مراحل ابتدايي خود قرار دارد، اما نسبت به آينده بسيار خوشبين هستند.
در كنار تلاش‌هايي از اين دست محققاني در آمريكا فناوري نويني را براي توليد برق ارائه كرده‌اند كه مبناي توليد اين انرژي در آن صرفا به حركات بالا و پايين رفتن فرد به هنگام پياده‌روي مربوط مي‌شود. فناوري ابداعي اين محققان يك كوله‌پشتي منحصربه‌فرد است كه جنبش‌هاي معمولي فرد در زمان راه رفتن را به انرژي الكتريكي تبديل مي‌كند. اين دستگاه قابليت توليد 4/7 وات برق را داشته و به جهت شكل خاصي كه دارد از سوي گروه‌هاي مختلف همچون دانشمندان و محققان ميداني، كارگران و سربازان به كار گرفته خواهد شد. كاربري كه به اين كوله‌پشتي مخصوص مجهز باشد مي‌تواند بدون نياز به حمل دستگاه‌هاي حجيم و باتري‌هاي سنگين، سيستم‌هايي نظير تلفن همراه، تجهيزات سيستم موقعيت‌ياب جهاني و دستگاه‌هاي مشابه را شارژ كند. لارنس رام از دانشگاه پنسيلوانيا مي‌گويد: براي نخستين بار در جهان است كه مقادير قابل توجهي از انرژي الكتريسيته را از حركات معمولي بدن انسان توليد كرده‌ايم. نكته مهم اين است كه تلاش‌هاي قبلي براي توليد الكتريسيته از راه رفتن مبتني بر دستگاه‌هايي بوده‌اند كه در كفش كاربر جاسازي مي‌شدند، اما اين تكنيك تنها به توليد 20 ميلي‌وات برق منجر مي‌شده است كه در مقايسه با سرمايه‌گذاري‌هاي صورت گرفته بسيار ناچيز است. در اين ميان همواره مشكلي وجود داشته است. گرچه هنگامي كه اين كفش‌ها با زمين برخورد مي‌كنند، نيروي قابل توجهي وارد مي‌شود، اما كار مكانيكي كم و حتي قابل چشمپوشي صورت مي‌گيرد و اين همه به دليل فاصله بسيار كمي است كه گام‌ها يكي پس از ديگري گذاشته مي‌شوند. محققان براي غلبه بر اين مشكل به اين تتيجه رسيدند كه تمركز روي مفصل ران در زمان راه رفتن مي‌تواند پاسخي مناسب براي اين مشكل باشد چون در اين زمان قسمت بالاي ران بين 5 تا 7 سانتي‌متر جابه‌جا مي‌شود و به گفته لارنس زماني كه دستگاهي همچون اين كوله‌پشتي به همراه فرد باشد، آن نيز با هر قدم فرد به همين ميزان بالا و پايين مي‌رود. تيم تحقيقاتي اين پروژه محاسبه كرده است كه اين تكنيك با توليد كار مكانيكي قابل توجهي آن هم در حدود 18 ژول همراه است كه در ادامه به الكتريسيته تبديل مي‌شود.

مقالات مقالات مقالات مقالات مقالات مقالات مقالات آموزشگاه رایانه اخبار ایران و جهاناخبار ایران و جهاناخبار ایران و جهانبانک سوال و جوابجوان امروزدانلود نرم افزار