دردسرهای استفاده از سوخت فسیلی

انرژی

امروزه، تقاضای انرژی دنیا در اصل از طریق احتراق سوخت های فسیلی بدست می آید. از 210 میلیون بشکه نفت معادل که هر روز در دنیا مصرف می شود، حدود 85 میلیون بشکه از طریق نفت و بقیه از طریق زغال سنگ (23 %)، گاز (17%)، بیوگاز (17%)، شکافت هسته ای (5 %) و یک میزان اندک نیز از طریق برق آبی (6 %) تأمین می شود (تقریباً میزان تولید انرژی های تجدیدپذیر، صفر است) (شکل 1). این تخمین زده شده است که در سال 2050، این میزان مصرف انرژی دو برابر شود (حدود 14 تراوات). بیشتر این انرژی باید از خورشید، انرژی بادی و انرژی زمین گرمایی (حدود 50 %) تأمین شود. تا آن زمان، این انتظار می رود که جمعیت دنیا از 6.3 میلیارد نفر به 9 میلیارد نفر برسد. اتکا به سوخت های فسیلی برای تأمین این انرژی، از لحاظ محیط زیستی، مناسب نیست زیرا برخی شواهد وجود دارد که احتراق سوخت های فسیلی، عامل اصلی تولید گازهای گلخانه ای مانند دی اکسید کربن است. این گازها در اتمسفر متراکم می شود و موجب تغییر آب و هوای زمین می شود.
اما، مسئله محدود به اثرات محیط زیستی استفاده از سوخت فسیلی نیست. میزان فراوانی سوخت های فسیلی نیز محدود می باشد و منابع موجود در این زمینه در حال تمام شدن می باشد. در نتیجه، به دلیل اینکه تقاضای انرژی در حال افزایش است، بنابراین، هزینه های سوخت های فسیلی نیز افزایش خواهد یافت. انرژی مقرون به صرفه در حقیقت بر روی همه ی جوانب زندگی ما، تأثیر دارد. در حقیقت با وجود این انرژی، صلح جهانی تثبیت می شود. در حقیقت، در لیست مهم ترین مسائل پیش روی انسانیت در 50 سال آینده، انرژی یک مسئله ی حیاتی و مهم تلقی می شود (جدول 1). دلیل این مسئله این است که انرژی مقرون به صرفه، اساسی برای حل سایر مشکلات ایجاد شده می باشد. در دسترس بودن آب تمیز، غذا و فقر و آموزش، در ارتباط مستقیم با انرژی می باشد. بنابراین، جهان با یک چالش انرژی در طی سال های آینده مواجه است و نیاز قابل توجهی در زمینه ی جایگزین هایی برای منابع انرژی فسیلی در آینده وجود دارد. از بین این منابع، منابع انرژی تجدیدپذیر که در حقیقت میزان تولید دی اکسید کربن آنها صفر است (مانند انرژی خورشیدی، بادی، زمین گرمایی، انرژی آب و ...)، یک گزینه ی مهم می باشد. به هر حال، پیشرفت تکنولوژی فوق العاده باید در طی سال های آینده رخ دهد و موجب ایجاد و توسعه ی منابع انرژی با بازده بالا و اقتصادی شود. انرژی خورشیدی یک مثال استثنایی است. هر روزه، زمین بوسیله ی 165000 ترا وات انرژی خورشیدی، تحت تشعشع قرار می گیرد. و به قول E. Smalley (برنده ی جایزه ی نوبل)، هر روزه ما نیازمند حمام کردن در انرژی هستیم. مسئله این است که منابع انرژی تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی در طی زمان ثبات ندارند و توزیع و میزان انرژی دریافت شده در جاهای مختلف زمین نیز متفاوت است. پانل های خورشیدی کنونی دارای بازده تبدیل 15 تا 20 % هستند و آنها بسیار گران قیمت نیز می باشند. از آنجایی که نور خورشید تنها در طی بخشی از روز قابل دسترسی است، راه حل هایی بر پایه ی ذخیره سازی نیز در اینجا، ضروری به نظر می رسد.
یکی دیگر از انرژی های جایگزین در واقع هیدروژن است اما تکنولوژی پیل های سوختی هیدروژنی، با موضوعات و موانع مختلفی روبروست (مثلاً تولید هیدروژن، ذخیره سازی هیدروژن، عمر مفید پیل های سوختی و هزینه های مربوطه). این موضوعات باید به خوبی حل شوند تا بدین صورت انرژی هیدروژن به عنوان یک انرژی اقتصادی در آید. حل چالش های انرژی آینده نه تنها نیازمند پیشرفت در زمینه ی تبدیل انرژی و ذخیره سازی آن، می باشد، بلکه همچنین به صرفه جویی در انرژی، در نظر گرفتن میزان اتلاف انرژی کنونی و موارد دیگر، وابسته می باشد. همانگونه که در این مقاله بحث خواهد شد، نانوتکنولوژی نه تنها پتانسیل حل بسیاری از این موضوعات را دارد، بلکه همچنین کاربردهای آن در این بخش، هم اکنون نیز منجر به پروژه های تحقیقاتی و برخی محصولات تجاری شده است.

انرژی خورشیدی

در میان انرژی های تجدیدپذیر، انرژی خورشیدی پتانسیل زیادی دارد. به هر حال، نور خورشید ثابت نیست و تنها در بخشی از روز موجود می باشد. این انرژی در بخش های مختلف جغرافیایی نیز متغیر است. در برخی از کشورها، تابش بسیار بیشتری نسبت به سایر کشورها، دریافت می شود. شکل 2 یک ایده در این زمینه مطرح کرده است که باید در سرتاسر دنیا و به منظور تولید بخش اندکی از انرژی مورد نیاز بوسیله ی انرژی خورشیدی، دنبال شود (فرض کنید یک ضریب تبدیل 8 %). مشکل اصلی در مورد این انرژی، نه تنها ذخیره سازی، بلکه همچنین توسعه ی وسایلی است که امکان تبدیل ارزان قیمت و با بازده بالای این انرژی به انرژی الکتریکی را دارا می باشند. مشکل ثانویه در حقیقت ذخیره سازی و انتقال مؤثر این انرژی می باشد. نواحی که بیشترین تابش نور خورشید را دارند، نواحی بیابانی است و در بیشتر موارد، این نواحی فاصله ی زیادی با نواحی شهری دارند. بنابراین، حمل و نقل این انرژی به جاهایی که نیاز مبرم به این انرژی هست، یک چالش محسوب می شود. در حقیقت، تبدیل شدن انرژی خورشیدی به یک جایگزین برای سوخت های فسیلی نیازمند یک سری پیشرفت ها در زمینه ی تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریسیته، ذخیره سازی و انتقال انرژی است. بسیاری از این مزیت ها، احتمالا بوسیله ی نانوتکنولوژی تحت تأثیر قرار می گیرد.

وسایل فوتوولتایی

یک وسیله ی فوتوولتایی (PV) در حقیقت وسیله ای است که انرژی خورشیدی را به الکتریسیته تبدیل می کند. در سلول های فوتوولتایی متداول، دو لایه ی مجزا از ماده وجود دارد که یکی مخزن الکترون است که عملکرد آن به عنوان قطب منفی سلول می باشد و دیگری که با فقدان الکترون مواجه است، حاوی حفرات الکترونی است و به عنوان قطب مثبت عمل می کند. وقتی نور خورشید و سایر منابع نوری جذب این سلول شود، انرژی کافی برای سلول ایجاد می شود و این سلول می تواند الکترون ها را از قطب منفی به قطب مثبت حرکت دهد. این مسئله موجب ایجاد یک پتانسیل الکتریکی بین دو الکترود می شود. در این زمینه، سلول می تواند به عنوان یک منبع از الکتریسیته، تلقی شود. بازده یک وسیله ی PV به نوع نیمه رساناهای مورد استفاده در تولید آنها و همچنین به ظرفیت جذب آنها، وابسته می باشد. تمام نیمه رساناها تنها یک پنجره ی انرژی مشخص را جذب می کنند که در حقیقت کسری از انرژی خورشیدی موجود می باشد. در حال حاضر، ماکزیمم بازده تبدیل انرژی (15 تا 20 %) در یک پیل فوتوولتایی، وقتی ایجاد می شود که این پیل از سیلیکون کریستالی تولید شده باشد. این ماده، یک رسانای عالی است که به صورت گسترده در الکترونیک، استفاده می شود. البته محدودیت اصلی آن، قیمت بالای تولید است که در حقیقت انعکاس دهنده ی هزینه های بالای وسایل فوتوولتایی کنونی است. این مسئله موجب محدود شدن استفاده از آنها می شود. به عنوان یک جایگزین، مواد دیگری همچون تیتانیم دی اکسید می تواند در تکنولوژی فوتوولتایی، استفاده شود. تیتانیم دی اکسید یک ماده ی نیمه رسانای غیر سمی است اما دارای قابلیت جذب در ناحیه ی UV طیف خورشیدی را دارا می باشد. این بخش از انرژی، 5 % کل انرژی خورشیدی را تشکیل می دهد. این ماده منجر به تولید پیل های سوختی ارزان قیمت تر با بازده انرژی پایین تر می شود.
همانگونه که بحث خواهیم کرد، نانوتکنولوژی امکان معرفی مواد جایگزین و روش های ساخت برای تولید سلول هایی با ویژگی های جذب متناسبی را مقدور می سازد. بدین صورت بخش بزرگی از طیف نور خورشید قابلیت جذب پیدا می کند. به منظور برطرف شدن چالش های انرژی از طریق انرژی خورشیدی، بازده تبدیل 45 % مورد نیاز است، بنابراین تحقیقات در این زمینه، بسیار حساس می باشد و باید انواع مختلفی از نانومواد برای این کاربرد، بررسی شوند. به منظور رسیدن به این هدف، وسایل باید از موادی ساخته شوند که بخش مرئی نور خورشید (که در حدود 46 % از نور را تشکیل می دهد) را جذب کند.
در دور اساسی مورد بررسی قرار گرفته است:
• توسعه ی نانوکریستال های سیلیکونی مهندسی شده برای جذب بیشتر انرژی خورشیدی
• روش های بیومیمیکی که در آنها وسایل فوتوولتایی به تقلید از فرایندهای تبدیل خورشیدی شناخته شده در طبیعت ساخته می شوند. این بخش ها شبیه ماشین مولکولی فوتوسنتز هستند.
• نانوکریستال ها
• محدودیت های استفاده از سیلیکون نه تنها مربوط به هزینه های فراوری آن است، بلکه همچنین به دلیل گاف انرژی آن نیز می باشد. این گاف انرژی توانایی اندکی در جذب نور دارد و تنها بخش اندکی از نور خورشید را جذب می کند. اینجاست که علم نانو می تواند یاری رسان باشد: در نانوکریستال های کوچک، گاف انرژی شبه مستقیم می شود که در اینجا، جذب نور قوی ایجاد می شود. بنابراین، خواص نوری مربوط به سیلیکون می تواند با افزودن نانوکریستال ها، بهبود یابد. از جمله ی این مواد می توان به سلول های خورشیدی جفتی بر پایه ی سیلیکون اشاره کرد که در آنها سلول بالایی بر پایه ی نانوکریستال است در حالی که سلول پایینی یک سلول سیلکونی استاندارد می باشد. در داخل سلول های خورشیدی، نانوکریستال ها برای افزایش میزان جریان تولیدی، استفاده می شوند.
• روش های بیومیمیکی با استفاده از نانوتکنولوژی
• طبیعت یک ماشین مولکولی با شکوه ایجاد کرده است که قادر به تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی شیمیایی می باشد. این فرایند فوتوسنتز، نامیده می شود. در این فرایند، انرژی خورشیدی به انرژی شیمیایی ذخیره تبدیل می شود. این فرایند یک مثال جالب از نانوتکنولوژی طبیعی است که به عنوان یک روش الهام بخش برای ایجاد وسایل بیومیمیکی با قابلیت تبدیل کردن انرژی خورشید به سایر انواع انرژی می تواند مورد استفاده قرار گیرد. در وسایل فوتوولتایی، هدف در واقع تبدیل انرژی، به انرژی الکتریکی است که در واقع بتواند وسایل الکتریکی را روشن کند. در فوتوسنتز، نور بوسیله ی آنتن های جذب نور (کلروفیل ها) جذب می شود که در واقع با جذب فوتون ها، الکترون ها به حالت های بالاتر تهییج می یابند. رنگ این آنتن ها موجب جذب بخش مرئی طیف نور خورشیدی می شود. الکترون های پر انرژی به یک سری از مراکز واکنش انتقال می یابند که فوتوسیستم I و فوتوسیستم II نامیده می شوند. در این مراکز واکنش، یک سری از الکترون های فوتوشیمیایی به واکنش هایی انتقال می یابند که حاوی کویینین است. برخی اوقات، انرژی از طریق اتصال هایی به مراکز واکنش دیگر فرستاده می شود. این کار از طریق فوتون ها انجام می شود. در اینجا، انرژی در اتصال به صورت مولکول های ATP ذخیره سازی می شود. این ماده نیز واکنش می دهد و تولید نیکوتین آمید آدنین دی نوکلئوتید فسفات (NADP+) می دهد. در مرحله ی نهایی فرایند، هیدروژن از آب گرفته می شود و NADPH تولید می شود. این ماده اکسیژن را به عنوان محصول فرعی از خود آزاد می کند. NADPH انرژی را تا زمانی ذخیره سازی می کند که این ماده در مرحله ی بعدی واکنش، انرژی برای تشکیل پیوند کربن- کربن، فراهم آورد. در واقع در این فرایند دی اکسید کربن مصرف می شود. محصول نهایی این فرایند، کربوهیدرات ها می باشند. بنابراین، فرایند در کل آب و دی اکسید کربن مصرف می کند و کربوهیدرات تولید می کند. این ماده یک ماده ی پایه برای غذای تمام حیوانات است.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Nano-Surface chemistry / Morton Rosoff