بازيافت قرن بيست و يکم: گرما!

ايده بازيافت کاغذ، شيشه، فلز و پلاستيک مدت هاست که ذهن ما دانشمندان را به خود مشغول داشته و به مرحله عمل نيز درآمده است. اما دانشمندان در تلاشند تا گرما را نيز بازيافت کنند و منابع جديدي را براي توليد و باز توليد گرما بيابند.
امروزه، پيشرفت در زمينه دانش و فناوري باعث شده تا منابع گوناگون و متنوع انرژي از جمله خورشيد، باد، امواج و جزر و مد درياها و اقيانوس ها به خدمت بشر درآيند و وابستگي به سوخت ها و انرژي هاي فسيلي را به حداقل برسانند.
با اين همه، يکي از منابع عظيم و نامحدودي که داراي پتانسيل بسيار خوبي براي توليد انرژي بوده و چندان مورد توجه و کنکاش قرار نگرفته است. گرماي موجود در اتمسفر و گرماي توليد شده توسط خودروها و کارخانه هاست. البته بازيافت و بازتوليد گرما در مقياس محدود برخي کشورها به مرحله اجرا درآمده است که از جمله آنان مي توان به استفاده از فاضلاب گرم براي گرم کردن کف منازل و آب کردن يخ جاده ها اشاره کرد. علاوه بر اين، ايده هاي جالبي در مورد گرم کردن آب سرد منازل از طريق عبور دادن لوله هاي فاضلاب حاوي آب گرم مصرف شده از کنار آنها به ذهن مبتکران و مهندسان خطور کرده و در برخي موارد، طرفداران بسياري پيدا کرده است.
با اين همه، بايد دانست که منابع گرمايي قابل بازيافت و به کارگيري مجدد در اطراف ما بسيار زياد هستند که متاسفانه ما از آنها بهره برداري مطلوبي نمي کنيم. به عنوان مثال، دستگاه هاي رايانه، چاپگر و فتوکپي که به تعداد زياد در ادارات و منازل وجود دارد حجم قابل توجهي گرما توليد مي کنند که نه تنها مورد استفاده بهينه قرار نمي گيرند، بلکه براي مقابله با آنها و خنک کردن اين دستگاه ها، حجم قابل توجهي انرژي مصرف مي شود. تحقيقات نشان داده است که از سال 2005 تا 2010، هزينه انرژي مصرف شده در آمريکا براي خنک کردن رايانه هاي خانگي و اداري، 7/4 ميليارد دلار بوده است!
دکتر "پاول برنر"، از پژوهشگران علوم رايانه در دانشگاه اينديانا، به همراه همکارانش در حال مطالعه بر روي ايده استفاده از گرماي توليد شده توسط رايانه ها به عنوان بخشي از سيستم گرمايشي داخلي ادارات هستند. گروه تحقيقاتي دکتر برنر سيستمي را طراحي کرده اند که شامل وسايل گرمازاي هوشمندي است و به محض گرم شدن (داغ شدن) رايانه هاي موجود در يک اداره، خاموش مي شوند تا بدين وسيله هم از گرماي توليد شده توسط رايانه به منظور گرم کردن فضاي داخلي اتاق ها استفاده شود و هم از فعال شدن پنکه هاي خنک کننده قطعات رايانه جلوگيري شود. آنها در نخستين گام، اين سيستم را در يکي از دانشکده هاي دانشگاه اينديانا به صورت آزمايشي پياده کردند که به نتايج بسيار مطلوبي دست پيدا کردند.
در مرحله بعد، گروه تحقيقاتي دکتر برنر، تصميم گرفتند اين سيستم را در ابعاد بزرگ تري آزمايش کنند و به همين منظور، باغ گياه شناسي ساوث بند در اينديانا را در نظر گرفتند که در هر سال، هزينه اي بالغ بر 115 هزار دلار براي فعال سازي سيستم گرمايشي، خنک کننده ها و آبگرمکن هاي آن خرج مي شد.
در اين پروژه گرماي توليد شده توسط گياهان موجود در گلخانه ها براي گرم کردن ساير بخش هاي اداري و کارمندي باغ گياه شناسي مورد استفاده و بازيافت قرار گرفت. پياده شدن اين سيستم در اين باغ گياه شناسي بزرگ در مدت يک سال موجب صرفه جويي 600،15 دلاري در هزينه گاز و کاهش 3800 دلاري هزينه سيستم خنک کننده گلخانه ها شد.

گرماي ارزشمند
 

عملکرد موفق سيستم طراحي شده توسط دکتر برنر و همکارانش ثابت کرد که گرما يک کالاي ارزشمند است که مي تواند در جايي که به آن نياز است، بازيافت شود. با اين حال، چون الکتريسيته داراي بيشترين قابليت انتقال پذيري و تبديل شدن به ساير انرژي ها است، پس تبديل گرما به الکتريسيته جزو مهم ترين اهداف دانشمندان براي مرحله بعدي تحقيقاتشان است. يکي از ايده هاي مورد توجه بسياري از پژوهشگران براي نيل به اين مقصود، تبديل گرما به الکتريسيته با استفاده از ترموکوبل هاي ساندويچي است. اين ساندويچ ها از دو تکه فلز تشکيل شده اند که گرم شدن يکي از آنها نسبت به ديگري موجب توليد جريان الکتريسيته بين آن دو مي شود. دکتر "استيفن نوواک" و دکتر "دال کوتر" به همراه يک گروه تحقيقاتي از آزمايشگاه ملي آيداهو در حال مطالعه بر وسيله اي به نام "آنتن نانوسکوپي" هستند که جنس آلياژ طلا يا کروميوم نيکل ساخته شده و قادر به استفاده از فعل و انفعالات موجود در تابش هاي فروسرخ اين آلياژها هستند و آنها را به جريان الکتريسيته تبديل مي کنند. با کنار هم قرار دادن اين آنتن هاي کوچک و تبديل آنها به يک مجموعه، مي توان حجم قابل توجهي الکتريسيته را پس از گرم کردن اين آلياژها به دست آورد. ارزان بودن و انعطاف پذيري قابل توجه اين آنتن ها موجب مي شود تا يک منبع کم هزينه و فراوان براي توليد برق در دسترس همگان قرار گيرد. تنها مشکل و محدوديت اين روش توليد الکتريسيته به فرکانس بسيار بالاي جريان الکتريسيته توليد شده آنتن ها برمي گردد که چيزي نزديک به سي تتراهرتز است که پانصد ميليارد بار قوي تر از فرکانس 60 هرتزي برق در آمريکا و بسياري ديگر از کشورهاي دنياست.
براي حل اين مشکل، به وسيله اي به نام رکتيفاير است که وظيفه اصلي اش، متعادل کردن جريان الکتريسيته و قابل استفاده نمودن آن است، اما خبر بد آن که رکتيفايرهاي موجود، قط قادر به تبديل فرکانس هاي تا 100 گيگاهرتز هستند که سيصد بار ضعيف تر از فرکانس هاي سي تتراهرتزي توليد شده توسط آنتن هاي نانوسکوپي هستند. براي رفع اين مشکل بزرگ، دکتر نوواک و همکارانش تصميم گرفتند تا يک ديود نانوسکوپي به آنتن هاي نانوسکوپي اضافه کنند که داراي قابليت تبديل جريان قوي اين آنتن ها به جريان مستقيم که به مراتب قابل کنترل تر است و بر کارايي عملي اين آنتن ها براي توليد برق از گرما مي افزايد.
يکي ديگر از راه هاي بازيافت گرما، استفاده از سلول هاي فتوولتائيک از نوع سلول هاي خورشيدي به منظور استحصال امواج فروسرخ مي باشد. در اين روش، ابتدا الکترون ها از اتم ها آزاد شده و براي توليد جريان الکتريکي مورد استفاده قرار مي گيرند که اين فرايند توليد الکتريسيته با افزايش دما تشديد و تسريع مي شود.
هم اکنون، يک گروه تحقيقاتي به رهبري "باب دي متيو" در دانشگاه بوستون در حال مطالعه روي استفاده از گرماي موجود در مناطق گرمسير جهان به منظور تبديل آنها به کاتاليزوري براي توليد برق با استفاده از سلول هاي فتوولتائيک است. به موازات اين تحقيقات، دکتر "پيتر هاگل اشتاين" از موسسه تکنولوژي ماساچوست (MIT ) نيز در حال بررسي راه هاي طراحي و ساخت سلول هاي خورشيدي جديدي است که قادر به جذب گرماي خورشيد و محيط اطراف به منظور تبديل آن به انرژي الکتريکي بوده و توليد انبوه آنها مي تواند انقلابي در بازيافت گرما و توليد الکتريسيته با استفاده از گرما به وجود آورد.
نتايج تحقيقات دکتر هاگل اشتاين که در نوامبر سال 2009 در نشريه فيزيک کاربردي به چاپ رسيده است، حکايت از آن دارد که با ايجاد تغييرات خاص در مواد مورد استفاده در سلول هاي خورشيدي و دگرگون ساختن ساختار عملکردي آن مي توان از هر سانتي متر مربع اين نوع سلول هاي حساس به گرما، تا يک صد وات برق توليد کرد. در يکي از آزمايش هاي انجام شده توسط گروه تحقيقاتي دکتر هاگل اشتاين، نمونه اي از اين سلول ها ي تغيير ماهيت داده در يک دستگاه لپ تاپ نصب شد و توانست با استفاده از گرماي توليد شده در داخل لپ تاپ باتري لپ تاپ را تا 20 درصد شارژ کند.
منبع: ويژه نامه علوم و فناوري اکونوميست
منبع: دانشمند شماره 567