تولید انرژی از تاریکی به وسیله‌ فرامواد

zoomit.ir - کاوه جهان آرای:‬‎ فرا مواد دسته‌ای جدید از مواد هستند که می‌توانند خواص فیزیکی فراتر از خواص مواد موجود در طبیعت را از خود به نمایش بگذارند. این بار از این مواد برای تولید الکتریسیته در تاریکی بهره گرفته شده است.


فیزیک دانان در دانشگاه ملی استرالیا (ANU) و دانشگاه برکلی کالیفرنیا با استفاده از فرامواد مغناطیسی نوری و خواص بسیار ویژه شان نمونه‌ی اولیه‌ای از دستگاهی را ساخته‌اند که می‌توان از آن به عنوان سلول گرما-الکتریکی با بازدهی بسیار بالا استفاده کرد. این سلول‌ها برای تولید انرژی الکتریکی نیازی به نور خورشید ندارند و می‌توانند با جذب تابش فروسرخ جریان الکتریکی تولید کنند بنابراین برخلاف سلول‌های خورشیدی معمول که به تابش مستقیم نور خورشید نیاز دارند در تاریکی هم به کار خود ادامه می‌دهند.

برای ساخت این ماده، پژوهشگران ۲۰ صفحه از جنس نانومواد را به صورت متناوب بر روی هم قرار داند که این سلول‌ها از جنس طلا و فلورایدمنیزیم بوده و ضخامت هر کدام از آن‌ها به ترتیب ۳۰ و ۴۵ نانومتر بود. همه‌ی این لایه‌ها نیز در نهایت برروی لایه‌ای ۵۰ نانومتری از جنس نیترید سیلیکون قرار می‌گیرند. همچنین، این پژوهشگران با استفاده از یون‌های متمرکز شده سوراخ‌هایی را بر روی این ماده ایجاد می‌کردند.

تمام کارهایی که گفته شد برای این بود که ماده‌ای ساخته شود که خاصیتی به نام پراکنش هذلولوی مغناطیسی را دارا باشد! برای اینکه بهتر متوجه شوید بهتر است اول پراکنش عادی نور را در نظر بگیرید که در آن نور موج الکترومغناطیسی به صورتی یکنواخت در فضای سه بعدی پخش می‌شود. یا یک لنز شیشه‌ای کوژ که موجب پخش کروی یا بیضوی نور می‌شود. با این فراماده‌ی جدید و خاصیتی که از آن نام بردیم، بخش مغناطیسی موج الکترومغناطیسی آنچنان دستکاری می‌شود که نحوه‌ی پراکنش پرتو نور به صورت هذلولوی در می‌آید که نسبت به موارد دیگر الگوی پخش بسیار متمرکز تری به حساب می‌آید و موجب شکل گیری تابشی همگرا و پلاریزه به صورت گرمایی خواهد شد.

نتیجه‌ی تمام این دستکاری‌های ظاهری و استفاده از مواد شیمیایی به خصوص در این فراماده این است که می‌توان این پراکنش هذلولوی را به گونه‌ای کنترل کرد که در فرکانس‌های خاص و با شدتی کنترل شده کاری کرد که انتقال انرژی گرمایی به سلول گرما-نورالکتریکی جفت شده با آن به شدت افزایش پیدا کند. به بیان ساده تر این ماده کاری می‌کند که وقتی پرتو فروسرخ به آن برخورد می‌کند درخشش بسیار بیشتری نسبت به مواد عادی داشته باشد در نتیجه‌ی انرژی بیشتری به سلول گرما-نورالکتریکی رسیده و بازده تولید جریان به طرز چشمگیری افزایش پیدا می‌کند. این ابداع می‌تواند بسیاری از موانعی را که تا پیش از این برابر استفاده از این سلول‌های گرما-الکتریکی وجود داشت را از پیش رو بردارد.


ابعاد هر یک از بلوک‌های سازنده‌ی این فراماده به اندازه‌ای کوچک است که می‌توان بیش از ۱۲ هزار عدد از آن‌ها را در سطح مقطع یک موی انسان جای داد، بنابراین دانشمندان در برکلی می‌بایست دقت بسیار زیادی را برای ساخت این ابزار به کار می‌بستند. به گفته‌ی این تیم از این ابزار می‌توان در کنار یک منبع گرمایی یا یک موتور معمولی نیز استفاده کرد تا از گرمای به هدر رفته برای تولید انرژی بهره برد. همچنین پژوهشگران معتقدند می‌توان بازده این ابزار را با کاهش فاصله‌ی بین پخش پراکنش نور و پخش تولید جریان باز هم افزایش داد. در این صورت بازده‌ی این سامانه تا ۱۰ برابر ابزارهای رایج افزایش پیدا می‌کند، افزایشی که به این راحتی‌ها نمی‌توان از آن صرف نظر کرد.

نتیجه‌ی این پژوهش در نشریه‌ی علمی Nature Communications به چاپ رسیده است.