نانوژنراتور های تریبوالکتریک (TENG)، راهی برای تولید برق در مقیاس نانو

تریبو الکتریک نانو ژنراتور (Triboelectric Nanogenerator) یکی از موضوعاتی است که در سال های اخیر مطرح شده و بلافاصله نظر محقیقین زیادی را در سراسر جهان به سمت خود جلب کرده است.

برای ورود به این بحث ابتدا بیایید کمی درباره روش های تولید برق صحبت کنیم.همه ما می دانیم که رایج ترین روش برای تولید برق در سراسر جهان، استفاده از نیروگاه های سوخت فسیلی است. در این نیروگاه ها با استفاده از سوزاندن یک سوخت فسیلی مثل گاز یا ذغال سنگ و یا… حرارت لازم برای ایجاد بخار با فشار بالا را ایجاد کرده و با استفاده از فشار این بخار، توربین ها را به کار می اندازند تا برق تولید شود.

این تنها مکانیسم مورد استفاده نبوده و روش های متعددی برای تولید برق در نیروگاه های مختلف وجود دارد. این روش ها خروجی بسیار خوبی دارند؛ اما از طرف دیگر آلودگی بسیار زیاد و البته هزینه های سنگینی برای کشور ها ایجاد می کنند.

در روش های دیگر که مبتنی بر انرژی های پاک هستند، از انرژی های موجود در طبیعت، مثل انرژی خورشیدی، انرژی باد و… برای تولید برق ارزان قیمت استفاده می شود. این روش ها، بر خلاف روش های دیگر، بسیار پاک بوده و همچنین هزینه بسیار کمی لازم دارند.

انسان ها تقریبا از هر چیزی که فکرش را بکنید، برای تولید برق استفاده کرده اند. اخیرا برای اولین بار در سال 2012، بحث نانو ژنراتور های تریبو الکتریک مطرح شد و به سرعت به یکی از پرطرفدار ترین موضوعات روز دنیای علوم پایه و علوم مهندسی تبدیل شد.

در روش هایی که بالاتر به آن ها اشاره شد، برای تولید برق نیاز به ایجاد تاسیسات سنگین و هزینه های هنگفت بودیم؛ البته از این بگذریم که برای استفاده از این روش ها، همچنین با محدودیت های جدی نیز رو به رو هستیم. به عنوان مثال، در کشوری که روز های آفتابی سال خیلی کم است، استفاده از انرژی خورشیدی چندان به صرفه نیست.

یا مثلا، استفاده از نیروی امواج دریا، برای کشوری که دریا ندارد میسر نیست و… البته خود این سیستم ها نیز محدودیت های جدی دارند که باید به آن نیز اشاره کنیم. به عنوان مثال، پیشرفته ترین پنل های خورشیدی فقط 24 تا 26 دردصد از انرژی خورشیدی را به برق تبدیل می کنند.

بنابراین باید به سراغ منابع دیگری رفت که به آسانی در همه جا و در همه شرایط قابل استفاده باشد. پس باید از انرژی هایی استفاده کنیم که منابع در دسترس آن ها بی نهایت باشد. به عنوان مثال، آیا می توانیم از وزیدن باد روی خار های بیابانی برق تولید کنیم و با آن جاده های کویر را روشن کنیم؟ یا مثلا، آیا می توانیم با استفاده از نفس کشیدن یک بیمار قلبی، باطری قلبش را شارژ کنیم؟ و…

جواب یک بله بزرگ است. همه این ها امکان دارد؛ در واقع نانو ژنراتور های تریبو الکتریک این امکان را به ما می دهند تا از هر حرکتی، تاکید می کنم، هر حرکتی، برق تولید کنیم.

مکانیسم عمل TENG

ما می دانیم که روشن شدن یک لامپ، نتیجه حرکت الکترون ها در مسیر بسته شده مدار است. و می دانیم که عامل حرکت دهنده الکترون ها، اختلاف پتانسیلی است که به دو سر مدار اعمال می شود.

حالا با استفاده از همین داده ها می توانیم برای ایجاد یک سیستم که برق تولید کند استفاده کنیم. اما چگونه؟ به تصویر زیر نگاه کنید. در این تصویر، چهار مکانیسم مختلف که TENG بر اساس آن کار می کند را مشاهده می کنید.

مبنای همه این روش ها، مجبور کردن بار های الکتریکی به حرکت در مدار می باشد. در مکانیسم A که نام آن می توان به صورت “تماس-جدا شدن” ترجمه کرد، دو قسمت باردار داریم که متناوبا به هم نزدیک شده و از هم دور می شوند. این نزدیک شدن صفحات باردار، موجب می شود تا بار های سطحی به عمق رفته و از سطح تماس دو قطعه دور شوند.

در صورتی که بتوانیم آن ها را مجبور به حرکت کنیم؛ یک مدار ایجاد می شود که می تواند برق مورد نیاز برای یک قطعه الکتریکی دیگر را تامین کند. برای درک این مساله، به ساختار خازن در شکل زیر نگاه کنید.

هنگامی که خازن شارژ شده باشد؛ هر یک از دو صفحه مقابل هم، بار الکتریکی خاص خودش را دارد. این بار الکتریکی حرکتی ندارد و مثل این است که یک باطری پر را نگهداری کنید. تا زمانی که اختلاف پتانسیلی اعمال نکرده باشید؛ بار الکتریکی حرکت نمی کند.

به محض اعمال اختلاف پتانسیل به دو سر این خازن، بار الکتریکی شروع به حرکت می کند و جریان در مدار برقرار می شود. حالا در مورد یک TENG نیز مشابه این اتفاق رخ می دهد. دور یا نزدیک شدن دو صفحه، باعث ایجاد یک مجموعه بار های آماده به حرکت می شود.

در صورتی که اختلاف پتانسیلی به دو سر این دو صفحه وصل شود، جریان الکتریکی در مدار برقرار شده و برق تولیدی آماده استفاده می باشد. گرچه برقی که ایجاد می شود بسیار کم است، اما با کنار هم قرار دادن تعداد بسیار زیادی از این صفحه ها می توانیم برق مناسبی تهیه کنیم.

در مکانیسم B به جای دور و نزدیک شدن صفحات، دو صفحه روی هم می لغزند. در مکانیسم c تنها یک الکترود داریم و سر دیگر به یک پتانسیل صفر متصل می شود و نهایتا در مکانیسم D یک الکترود ثابت و الکترود دیگر متحرک است و می تواند در امتداد الکترود دیگر لغزش کند.

برای مطالع بیشتر این مطلب از انجمن شیمی آمریکا، مقاله ” Triboelectric Nanogenerator: Structure, Mechanism, and Applications” مقاله مروری خوبی است؛ آن را مطالعه کنید.

کاربرد TENG در زندگی

سوال اینجاست که حالا چگونه می توان از این مکانیسم ها استفاده کرد؟

فرض کنید بخواهیم از وزش باد بر سطح یک زمین فوتبال با چمن مصنوعی برق تولید کنیم. در این صورت، رشته های چمن را به نحوی طراحی می کنیم که بتوانند با هر بار با خم شدن شان، از مکانیسم A استفاده کنند. در این صورت، زمین زیر هر رشته به صورت الکترود اول و خود رشته چمن به عنوان الکترود دوم عمل می کنند.

خم شدن یک رشته چمن، بدنه آن را به سطح زمین نزدیک کرده و مجددا دور می کند. یا می توان از مکانیسم D استفاده کرد و از باز و بسته شدن یک درب کشویی برق تولید کرد و…

به عنوان یک مثال بسیار خوب دیگر، در یک کار پژوهشی، از فشار ایجاد شده در کف کفش یک ورزشکار، برای تامین برق مورد نیاز برای کار کردن یک سنسور نشان دهنده گرما استفاده شد. این سنسور با حرکت ورزشکار کار می کند و می تواند دمای بدن او را گزارش کند.

برای مطالعه این مقاله از مجله nature اینجا کلیک کنید.