الطاقة الكهرومائية: مستقبل الطاقة المتجددة مع الاستفادة من رطوبة الهواء

• تولد الطاقة الكهرومائية الكهرباء من الرطوبة دون الاعتماد على الطقس.
• تعتبر المواد مثل أكسيد الجرافين والأسلاك النانوية هي المفتاح لعملها.
• ويجري بالفعل اختبار التطبيقات على نطاق صغير، بهدف تحقيق مستقبل مستدام.

في السنوات الأخيرة، قطعت الأبحاث في مجال الطاقة المتجددة خطوات كبيرة في البحث المستمر عن مصادر جديدة للطاقة. أحد هذه الابتكارات، التي بدأت تحظى باهتمام كبير، هو كهرمائية، وهو نوع من الطاقة المتولدة من الرطوبة في الهواء. هذا المفهوم، المشتق من قدرة بعض المواد على توليد شحنة كهربائية استجابة للتغيرات في الرطوبة، هو في طور التطوير ويمكن أن يحدث ثورة في الطريقة التي نحصل بها على الطاقة.

ما هي الطاقة الكهرومائية؟

La كهرمائيةالمعروف أيضا باسم الطاقة الكهرومائية، هي طريقة مبتكرة لتوليد الكهرباء من خلال الاستفادة من الرطوبة البيئية. وعلى عكس الطاقات المتجددة الأخرى مثل الطاقة الشمسية أو الرياح، فهي لا تعتمد على عوامل مناخية محددة مثل أشعة الشمس المباشرة أو الرياح. والمواد الاسترطابية هي مفتاح هذه الظاهرة، لأنها قادرة على امتصاص جزيئات الماء الموجودة في البيئة وتوليد فرق الجهد الذي ينتج الكهرباء.

وقد فتح هذا التقدم، الذي ولد من دراسات رائدة في جامعات مثل ماساتشوستس (UMass) وكامبيناس (البرازيل)، إمكانيات جديدة في مجال الطاقات المتجددة. وقد تبين أن بعض المواد، مثل أكسيد الجرافين (GO) س لوس أسلاك البروتين النانويةيمكن أن تولد شحنة كهربائية عند ملامستها للرطوبة.

وفي حالة أكسيد الجرافين، فإن جزيئات الماء الملتصقة بسطحه تخلق فرق جهد يسمح بتوليد تيار كهربائي عند توصيله بدائرة خارجية. وكان هذا اكتشافًا رئيسيًا، حيث كان يُعتقد أن المواد تحتاج إلى ضوء الشمس لتوليد الكهرباء. لا تحتوي الطاقة الكهرومائية على قيود الأرصاد الجوية هذهمما يجعله حلاً واعدًا جدًا للمستقبل.

كيف تعمل الطاقة الكهرومائية؟

تعتمد العملية التي تسمح بتوليد الكهرباء من الرطوبة على التفاعل بين المواد المسترطبة وجزيئات الماء في البيئة. وهذه المواد، كما ذكرنا من قبل، لديها القدرة على ذلك امتصاص الماء وتوليد أ فرق الحمل. في مشروع الماسكوقد أظهرت دراسة بتمويل من الاتحاد الأوروبي أن المياه الموجودة في الغلاف الجوي يمكن أن تتراكم شحنات كهربائية بعد ملامستها لجزيئات الغبار الموجودة في الهواء أيضًا. ويولد التفاعل بين هذه الجسيمات وقطرات الرطوبة فرق جهد صغير، والذي، عندما يكون كبيرًا بدرجة كافية، يسمح بالحصول على تيار كهربائي مفيد.

المواد الرئيسية

واحدة من المواد الأكثر استخداما لهذا النوع من الطاقة هي أسلاك البروتين النانوية نمت من جيوباكتر سولفورديوسينسوهي بكتيريا قادرة على نقل الإلكترونات عند ملامستها للرطوبة. الجهاز الجو العام يعمل هذا الجهاز، الذي طورته UMass Amherst، عن طريق ربط هذه الأسلاك النانوية بأقطاب كهربائية صغيرة لتوليد الكهرباء من الهواء.

مثال واعد آخر هو استخدام أكسيد الجرافين (GO)وهي مادة أثبتت قدرة كبيرة على توليد الشحنات الكهربائية. عندما تلتصق جزيئات الماء من الغلاف الجوي بسطح GO، يحدث اختلاف في الشحن يؤدي إلى تدفق الإلكترونات نحو جزيئات الماء، مما يولد تيارًا كهربائيًا.

الأقطاب الكهربائية والمسام النانوية

التصرف في الأقطاب الكهربائية كما أنه يلعب دورًا حاسمًا في تحسين كفاءة الطاقة الكهرومائية. في الواقع، يستخدمون معادن موصلة مثل بلاتين, الذهب o الفضة لتحسين كفاءة التقاط الكهرباء.

علاوة على ذلك، فإن بنية المادة أيضًا لها تأثير مباشر على قدرتها على توليد الطاقة. لقد ثبت في الأبحاث الحديثة أنه من خلال إنشاء المسام النانوية في هذه المواد (أي ثقوب صغيرة أقل من 100 نانومتر)، يمكن زيادة كمية الرطوبة المجمعة وبالتالي كمية الطاقة المنتجة.

التطبيقات المستقبلية للطاقة الكهرومائية

وعلى الرغم من أن التكنولوجيا لا تزال في مرحلة التطوير، إلا أن إمكاناتها عالية جدًا. على المدى القصير، يتم بالفعل استكشاف التطبيقات للتغذية الأجهزة الصغيرة مثل الساعات الذكية وأجهزة الاستشعار الطبية وأجهزة إنترنت الأشياء. تعتبر هذه الأنظمة مثالية للطاقة الكهرومائية لأنها تتطلب طاقة قليلة جدًا، وفي كثير من الحالات، تُستخدم في الأماكن التي توجد بها الرطوبة دائمًا، مثل داخل المنازل أو المباني.

وفي المستقبل البعيد، يمكن النظر في التطبيقات واسعة النطاق. البحوث مثل مشروع هنتر إنهم يركزون على تطوير المواد والأجهزة التي يمكنها تحويل طاقة الرطوبة إلى كميات أكبر بكثير. على سبيل المثال، دمج هذه الأجهزة في الألواح الشمسية للعمل ليلاً عندما لا تتوفر الطاقة الشمسية.

في الأماكن ذات مستويات الرطوبة العالية، مثل البيئات الاستوائية، هذه المجمعات الكهرومائية ويمكن تركيبها في المنازل لتوليد مصدر مستمر للطاقة الصديقة للبيئة. علاوة على ذلك، فإن توفرها على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع يفوق التقطع الذي تتميز به مصادر الطاقة المتجددة الأخرى مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح.

البحوث والتحديات الحالية

أحد التحديات الحالية في تطوير تكنولوجيا الطاقة الكهرومائية هو التدرجية. إن كمية الطاقة التي ينتجها جهاز واحد صغيرة نسبيًا، لذلك يبحث الباحثون عن طرق لتكديس وحدات متعددة أو تحسين المواد لزيادة الطاقة المولدة.

El مشروع الماسك تعمل الشركة على لوحة نموذجية بمساحة 1 متر مربع ويمكنها إنتاج ما يصل إلى 20 وات/م2. وعلى الرغم من أنه لا يكفي لتوفير احتياجات الأسرة بأكملها، إلا أنه يمثل خطوة كبيرة نحو الجدوى التجارية. وعلى المدى الطويل، فإن الجمع بين هذه التكنولوجيا وأشكال أخرى من توليد الطاقة يمكن أن يؤدي إلى بنية تحتية للطاقة أكثر تنوعًا واستدامة.

يبقى اختيار المواد جانبا هاما. المواد النانوية باهظة الثمن ولم تصل بعد إلى قابلية التوسع الصناعي اللازمة للتسويق على نطاق واسع. ومع ذلك، فإن التقدم في تكنولوجيا النانو لا يزال يفتح الأبواب لتطوير أجهزة أكثر اقتصادا وكفاءة.

يستمر الاهتمام بالطاقة الكهرومائية في النمو، والاستثمار من منظمات مثل الاتحاد الأوروبي في مشاريع مثل CATCHER يشير إلى أن هناك توقعات كبيرة معلقة على هذه التكنولوجيا الناشئة.

لا تزال الطاقة الكهرومائية في مراحلها الأولى من التطوير، لكنها تعد بأن تكون واحدة من التقنيات الرئيسية ضمن نطاق الطاقات المتجددة. ومع استمرار الباحثين في تحسين المواد والتقنيات، قد نرى قريبًا تطبيقات عملية يمكن أن تغير الطريقة التي نحصل بها على الطاقة ونستخدمها.