تولید برق با کاغذ دیواری!

پنل‌های خورشیدی مستقر روی بام‌ها، میلیون‌ها خانه را در سراسر جهان برق‌رسانی می‌کنند، اما تیمی از محققان دانشگاه بینگهمتون(Binghamton) این پرسش را مطرح کردند که اگر مقداری از این برق از داخل خانه بیاید، چه اتفاقی می‌افتد. پاسخ آنها مطالعه‌ای است که در مجله Advanced Energy Materials شرح داده شده و رطوبت داخل خانه را به یک جریان الکتریکی کوچک تبدیل می‌کند.

دریافت برق از هوای داخل خانه تقریباً غیرممکن به نظر می‌رسد، اما ژنراتورهای برق مرطوب دقیقاً همین کار را انجام می‌دهند. این دستگاه‌ها رطوبت محیط را به برق تبدیل می‌کنند و تاکنون تنها برای فضاهای باز بزرگ طراحی شده بودند، جایی که فقط چند میکرووات در هر سانتی‌متر مربع برق تولید می‌کنند.

فضای باز همچنین مکان سختی برای کار است، زیرا رطوبت، دما و باد به طور غیرقابل پیش‌بینی تغییر می‌کنند.

سئوخیون چوی(Seokheun Choi)، سرپرست این تیم تحقیقاتی می‌گوید: مشکل این است که این فضا مقدار کمی برق تولید می‌کند و محیط بیرون به دلیل نور شدید خورشید یا آب و هوا پایدار نیست. نکته خوب در مورد محیط داخلی این است که رطوبت ثابتی بین ۳۰ تا ۶۰ درصد را حفظ می‌کند و فعالیت‌های ساکنین مانند تنفس، پخت و پز و حمام کردن رطوبت بیشتری ایجاد می‌کند.

تیم بینگهمتون از کاغذ «واتمن ۳ میلی‌متری آزمایشگاهی» با ضخامت ۳۴۰ میکرومتر (۰.۰۱۳ اینچ) به جای کاغذ دیواری تجاری استفاده کرد. برای پنهان کردن سیم‌کشی، اتصالات در امتداد پشت آن قرار دارند.

سوراخ‌های ایجاد شده با لیزر به عرض ۱ میلی‌متر (۰.۰۴ اینچ) که با رنگ نقره‌ای پر شده‌اند، دو سطح را به هم متصل می‌کنند. این فرآیند شامل چاپ موم، ایربراش، چاپ سیلک و کار لیزری است و نیازی به اتاق تمیز ندارد. این تیم می‌خواهد همه چیز برای تولید انبوه قابل چاپ باشد.

این کاغذ دیواری از مربع‌های کاغذی ۲ در ۲ سانتی‌متری (۰.۸ در ۰.۸ اینچ) تشکیل شده است که هر کدام دارای سه ناحیه هستند. لبه حاوی گلیسرول است که مایعی شربت مانند است که بخار آب را از هوا می‌گیرد و آن را به آب مایع درون کاغذ تبدیل می‌کند.

ناحیه میانی حاوی پلی‌وینیل‌پیرولیدون(PVP)، ماده‌ای شبیه پلاستیک ساخته شده از مولکول‌های زنجیره بلند است که موجب می‌شود کاغذ، آب را محکم‌تر نگه دارد و منافذ کوچک‌تری دارد؛ بنابراین خاصیت مویینگی (همان پدیده‌ای که باعث می‌شود دستمال‌کاغذی مایع ریخته‌شده را جذب کند) مایع را به سمت داخل می‌کشد.

بخش مرکزی کاغذ با موم پوشش داده شده است که آن را مانند یک کاپشن بارانی با قابلیت تنفس (عبور هوا) تصور کنید. موم، آب مایع را دفع می‌کند، اما منافذ ریز را باز نگه می‌دارد تا بخار همچنان بتواند خارج شود. در نتیجه، آب از لبه‌ها وارد شده و از مرکز به صورت بخار خارج می‌شود؛ همین جریان پیوسته است که الکتریسیته تولید می‌کند.

گروه‌های شیمیایی موجود در گلیسرول، سلولز و PVP به آب کمک می‌کنند تا پروتون‌ها (یون‌های هیدروژن) را آزاد کند. تراکم این گروه‌ها در لبه‌ها بیشتر از مرکز است و این عدم تعادل، جریانی ایجاد می‌کند که توسط الکترودهای گرافیتی جمع‌آوری می‌شود.

در حال حاضر، میزان خروجی ناچیز است. یک قطعه (تایل) منفرد در رطوبت ۸۰ درصد، ولتاژی حدود ۰٫۳۴ ولت تولید کرد و ۱۰ قطعه متصل به هم به ولتاژی حدود ۲٫۹ ولت رسیدند. آرایه‌ای متشکل از ۳۵ قطعه توانست یک حسگر رطوبت را برای حدود ۱۵ دقیقه روشن نگه دارد و بزرگ‌ترین آرایه، شامل ۱۵۹۶ قطعه، در رطوبت تقریبی ۳۸ درصد، ولتاژ ۳٫۵ ولت تولید کرد. این میزان انرژی برای راه‌اندازی یک صفحه‌کلید بی‌سیم (البته با کمک یک خازن که بار الکتریکی را ذخیره و به صورت ناگهانی آزاد می‌کند) کافی بود، هرچند در این پژوهش، رقم دقیقی برای کل توان تولیدیِ نمونه‌ دیواری ارائه نشده است.

این کاغذ همچنین به عنوان تعدیل‌کننده رطوبت عمل می‌کند؛ بدین معنا که رطوبت را جذب کرده و دوباره پس می‌دهد.

۲۸ قطعه از این کاغذ در محفظه‌ای دربسته با ابعاد ۳۰ در ۳۰ در ۱۵ سانتی‌متر توانستند رطوبت را در مدت حدود چهار دقیقه از ۷۵ درصد به ۵۰ درصد کاهش دهند.

کاغذ مذکور پس از اشباع شدن با آب، رطوبت هوای خشک را در مدت حدود ۱۶ دقیقه از ۱۵ درصد به ۲۰ درصد افزایش داد.

در یک اتاق، آرایه بزرگی از کاغذها رطوبت را در ۱۵ دقیقه از ۳۸ درصد به ۳۲ درصد کاهش داد؛ هرچند این تنها یک نتیجه اولیه است و لزوماً نشان‌دهنده عملکرد پایدار و بلندمدت آن نیست.

چوی می‌گوید: ما انرژی زیادی صرف سیستم‌های تهویه مطبوع (HVAC) می‌کنیم تا رطوبت را از هوا بگیریم، اما با به‌کارگیری این ایده می‌توانیم ضمن تولید برق، سطح رطوبت را نیز کاهش دهیم یا کنترل کنیم.

پژوهشگران اذعان دارند که این طرح فعلاً در مرحله اثبات مفهوم قرار دارد. به گفته آنها، هدف واقع‌بینانه، تأمین انرژی حسگرهای محیطی، ماژول‌های بی‌سیم و ابزارهای اینترنت اشیاء است، نه جایگزینی شبکه برق یا پنل‌های خورشیدی.

اگر دوام این سیستم مطلوب باشد، یک دیوار می‌تواند به حسگری با قابلیت تأمین انرژی مستقل تبدیل شود که همزمان کیفیت هوای اتاق را نیز پایش می‌کند.

منبع: ایسنا