تولید برق در دهانه رودها با استفاده از نور و اسمز

نمونه ای از یک دهانه رودخانه، در مِین (تصویر آرشیوی)
اعتبار: © mandritoiu / Adobe Stock
 

بیشتر تکنولوژی های انرژی تجدید پذیر وابسته به هوا هستند. مزارع باد می توانند تنها زمانی کار کنند که نسیم وجود داشته باشد و نیروگاه های خورشیدی به نور خورشید متکی هستند. محققان EPFL در حال کار بر روی یک روش برای مهار یک منبع انرژی هستند که در دهانه رودخانه ها به طور مداوم در دسترس است: قدرت اسمزی، که همچنین به عنوان انرژی آبی شناخته می شود.
 
اسمز یک فرایند طبیعی است که از طریق آن مولکول ها از یک محلول غلیظ تر به یک محلول رقیق تر از طریق یک غشای نیمه تراوا مهاجرت می کنند تا غلظت ها را متعادل سازند. در دهانه رودها یون های نمک دارای بار الکتریکی از آب شور دریا به آب شیرین رودخانه حرکت می کنند. ایده این است که این پدیده را برای تولید قدرت مهار کنیم.
 
محققان از آزمایشگاه زیست شناسی نانو مقیاس EPFL، (LBEN)، که توسط پروفسور الکساندرا رادنوویچ در دانشکده مهندسی رهبری می شوند، نشان داده اند که تولید قدرت با استفاده از اسمز می تواند با استفاده از نور بهینه شود. با بازسازی شرایطی که در رودخانه ها اتفاق می افتد، آنها نور را به یک سیستم مرکب از آب، نمک و غشائی به ضخامت فقط سه اتم برای تولید برق بیشتر تاباندند. تحت تاثیر نور، سیستم دو برابر بیشتر قدرت تولید می کند در مقایسه با انجام این کار در تاریکی. یافته های آنها در Joule منتشر شده است.
 
در یک مقاله سال 2016، یک تیم از LBEN برای اولین بار نشان داد که غشاهای دو بعدی نشان دهنده یک انقلاب بالقوه در تولید قدرت اسمزی هستند. اما در آن زمان، آزمایش از شرایط دنیای واقعی استفاده نکرد.
 

اضافه کردن نور به این معنی است که این فناوری یک گام را به کاربرد در دنیای واقعی نزدیکتر شده است. این سیستم شامل دو قسمت پر شده از مایع است، که در غلظت نمک بسیار متفاوت هستند، و توسط یک غشای مولیبدن دی سولفید (MoS2) جدا شده‌اند. در وسط غشا، یک نانوسوراخ - سوراخ ریزی به قطر بین 3 تا 10 نانومتر (یک میلیونم یک میلیمتر) – وجود دارد.
 
هر بار یک یون نمک از طریق سوراخ از محلول غلیظ به محلول رقیق عبور می کند، یک الکترون به یک الکترود منتقل می شود که یک جریان الکتریکی تولید می کند.
 
پتانسیل تولید برق این سیستم به تعدادی از عوامل بستگی دارد - به ویژه خود غشاء، که باید برای تولید حداکثر جریان، نازک باشد. نانوسوراخ همچنین باید برای ایجاد اختلاف پتانسیل (ولتاژ) بین دو مایع، انتخابی باشد درست مثل یک باتری معمولی. این نانوسوراخ اجازه می دهد که یون های با بار مثبت عبور کنند، در حالی که بیشترین یون های با بار منفی را دور می کند.
 
سیستم به نحو ظریفی متعادل است. نانوسوراخ و غشا لازم است به شدت باردار شوند و وجود چندین نانوسوراخ هم اندازه لازم است که از لحاظ فنی یک فرایند چالشی است.
 

محققان با استفاده از نور لیزر با شدت کم، همزمان با این دو مشکل درگیر شدند. نور الکترون های جاسازی شده را آزاد می کند و موجب انباشته شدن آنها در سطح غشا می شود که باعث افزایش بار سطحی ماده می شود. در نتیجه، نانوسوراخ بیشتر انتخابی است و جریان جاری افزایش می یابد.
 
مارتینا لیهتر، محققی در LBEN، توضیح می دهد: "این دو اثر که با هم در نظر گرفته شوند به این معنی است که ما لازم نیست خیلی در مورد اندازه نانوسوراخ‌ها نگران باشیم." "این خبری خوب برای تولید در مقیاس بزرگ این فن آوری است، زیرا سوراخ ها لازم نیست که کامل و یکنواخت باشند."
 
به گفته محققان، از یک سیستم آینه ها و لنز ها می توان برای هدایت این نور بر روی غشا در دهانه رودخانه ها استفاده کرد. از سیستم های مشابه در گردآورنده ها و متمرکز کننده های خورشیدی استفاده می شود – تکنولوژی‌ای که در حال حاضر به طور گسترده در فتوولتائیک استفاده می شود. هر بار یک یون نمک از طریق سوراخ از محلول غلیظ به محلول رقیق عبور می کند، یک الکترون به یک الکترود منتقل می شود که یک جریان الکتریکی تولید می کند. مایکل گرف، نویسنده اصلی مقاله، توضیح می دهد: "اساسا، سیستم می تواند در روز و شب قدرت اسمزی را تولید کند." "خروجی در طول ساعات روز دو برابر است."
 

محققان اکنون با بررسی امکان افزایش تولید غشا، با در نظر گرفتن چالش هایی مانند چگالی منافذ مطلوب، کار خود را دنبال می کنند. پیش از اینکه تکنولوژی را برای برنامه های دنیای واقعی مورد استفاده قرار دهیم، کارهای زیادی باید انجام شود. به عنوان مثال، غشاء فوق نازک نیاز به تثبیت مکانیکی دارد. این می تواند با استفاده از یک ویفر سیلیکونی حاوی آرایه‌ای چگال از غشاهای نیترید سیلیکونی که برای ساخت آسان و ارزان هستند، انجام شود.
 

در سال 2016، محققان LBEN گزارش دادند که برای اولین بار، آنها قدرت اسمزی را در غشایی دو بعدی اندازه گیری کردند که فقط سه اتم ضخامت داشت. این آزمایش یک ارائه مهم بود که نشان می داد نانومواد واقعا با استفاده مستقیم از انرژی تجدید پذیر و منابع انرژی قابل حمل کوچک ممکن است یک انقلاب در این حوزه را نشان دهند.
 
در آن زمان، برای دستیابی به تولید برق بالا، محققان باید در یک محیط قلیایی، با سطوح pH بالا که از مقادیر موجود در دهانه رودها فاصله داشت، کار می کردند. pH بالا برای افزایش بار سطحی MoS2 و بهبود تولید اسمزی مورد نیاز بود.
 
منبع: Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne