به گزارش ایران نت، پژوهشگران به فناوری تازه‌ای دست یافته‌اند که می‌تواند مفهوم «کاغذ دیواری» را به چیزی فراتر از یک پوشش تزئینی برای دیوار تبدیل کند. دانشمندان دانشگاه بینگهمتون نوعی کاغذ هوشمند آزمایشی ساخته‌اند که قادر است از رطوبت موجود در هوای داخل ساختمان مقدار کمی انرژی الکتریکی تولید کند؛ انرژی‌ای که می‌تواند برای راه‌اندازی حسگرها، تجهیزات اینترنت اشیا و دیگر وسایل کم‌مصرف مورد استفاده قرار گیرد.
این فناوری در دسته سامانه‌های تولید برق از رطوبت هوا قرار می‌گیرد و از بخار آب موجود در محیط برای ایجاد جریان الکتریکی بهره می‌برد. اگرچه نمونه فعلی هنوز فاصله زیادی با یک محصول تجاری و قابل نصب در خانه‌ها دارد، اما نتایج آزمایش‌ها نشان می‌دهد دیوارهای ساختمان در آینده ممکن است علاوه بر پوشش و زیبایی، نقشی در تأمین انرژی تجهیزات کوچک نیز داشته باشند.
کاغذ دیواری هوشمند چگونه برق تولید می‌کند؟
ایده اصلی این پروژه بر پایه پدیده‌ای موسوم به تولید برق از رطوبت یا «رطوبت‌الکتریسیته» شکل گرفته است. در این روش، آب موجود در هوا جذب یک ماده می‌شود و حرکت و توزیع آب در ساختار ماده، شرایطی ایجاد می‌کند که در نهایت به شکل‌گیری اختلاف یونی و تولید جریان الکتریکی منجر می‌شود.
نمونه‌های قبلی چنین فناوری‌هایی بیشتر برای محیط‌های بیرونی طراحی شده بودند. بااین‌حال، فضای باز با تغییرات مداوم دما، باد و میزان رطوبت مواجه است و همین عوامل می‌توانند عملکرد مولدهای رطوبتی را ناپایدار کنند. پژوهشگران دانشگاه بینگهمتون به همین دلیل محیط داخلی ساختمان را گزینه جذاب‌تری می‌دانند.
رطوبت هوای داخل خانه معمولاً تغییرات کنترل‌شده‌تری دارد و فعالیت‌های روزمره مانند تنفس، پخت‌وپز، دوش گرفتن و خشک شدن لباس نیز می‌توانند بخار آب بیشتری وارد محیط کنند. بنابراین، یک دیوارپوش مجهز به مواد جاذب رطوبت می‌تواند به‌طور پیوسته با شرایط اطراف خود تعامل داشته باشد.
ساختار کاغذ تولیدکننده برق از رطوبت
نمونه آزمایشی ساخته‌شده توسط پژوهشگران هنوز یک کاغذ دیواری معمولی و قابل عرضه در بازار نیست. این نمونه از کاغذ آزمایشگاهی Whatman 3 MM با ضخامت حدود ۳۴۰ میکرومتر ساخته شده و برای ایجاد ساختار تولیدکننده انرژی، چند ماده و فناوری مختلف روی آن به کار رفته است.
هر واحد از این سامانه به شکل یک مربع دو در دو سانتی‌متری طراحی شده و از سه بخش اصلی تشکیل می‌شود. ترکیب این بخش‌ها باعث می‌شود آب به‌صورت کنترل‌شده درون کاغذ حرکت کند و هم‌زمان امکان تولید جریان الکتریکی فراهم شود.
گلیسرول؛ نقطه شروع جذب رطوبت
در قسمت لبه هر مربع، از گلیسرول استفاده شده است. این ماده توانایی جذب بخار آب موجود در هوا را دارد. رطوبت جذب‌شده در این بخش به آب مایع تبدیل می‌شود و سپس وارد ساختار داخلی کاغذ می‌شود.
وجود گلیسرول اهمیت زیادی دارد، زیرا فرآیند تولید انرژی از همان مرحله جذب رطوبت آغاز می‌شود. هرچه محیط شرایط مناسبی برای جذب بخار آب داشته باشد، تعامل ماده با رطوبت نیز بیشتر خواهد بود.
PVP و حرکت آب به سمت مرکز
بخش میانی هر واحد حاوی پلی‌وینیل‌پیرولیدون یا PVP است. این ماده قابلیت جذب آب دارد و ساختار متخلخل آن کمک می‌کند آب از طریق پدیده موئینگی به سمت مرکز حرکت کند.
این فرایند شباهت زیادی به عملکرد یک دستمال کاغذی دارد. هنگامی که بخشی از دستمال با آب تماس پیدا می‌کند، مایع به کمک منافذ ریز در سراسر ساختار آن حرکت می‌کند. در کاغذ هوشمند نیز از همین اصل برای هدایت آب از قسمت‌های بیرونی به سمت مرکز استفاده شده است.
موم؛ کنترل عبور آب و بخار
مرکز هر مربع نیز با لایه‌ای از موم پوشانده شده است. موم مانع عبور مستقیم آب مایع می‌شود، اما منافذ بسیار ریزی را باقی می‌گذارد که بخار آب می‌تواند از آن‌ها خارج شود.
در نتیجه، آب ابتدا از هوای اطراف جذب می‌شود، سپس در ساختار کاغذ به سمت مرکز حرکت می‌کند و در نهایت بخشی از آن به شکل بخار از منافذ خارج می‌شود. همین چرخه مداوم جذب، انتقال و آزادسازی آب، زمینه ایجاد اختلاف یونی در بخش‌های مختلف کاغذ را فراهم می‌کند.
اختلاف یون‌های هیدروژن چگونه برق تولید می‌کند؟
حرکت آب درون ساختار کاغذ باعث شکل‌گیری اختلاف در غلظت یون‌های هیدروژن میان بخش‌های مختلف می‌شود. این اختلاف یونی می‌تواند جریان الکتریکی ضعیفی ایجاد کند که توسط الکترودهای گرافیتی جمع‌آوری می‌شود.
بنابراین، این فناوری قرار نیست مانند یک باتری معمولی مقدار زیادی انرژی ذخیره‌شده را یک‌باره آزاد کند. در عوض، با استفاده از رطوبت محیط، مقدار اندکی انرژی را به شکل پیوسته تولید می‌کند. همین ویژگی باعث می‌شود کاربرد اصلی آن بیشتر در تجهیزات کم‌مصرف باشد.
کاغذ دیواری هوشمند چقدر برق تولید می‌کند؟
توان تولیدی نمونه فعلی هنوز محدود است، اما آزمایش‌های انجام‌شده نشان داده‌اند که می‌توان با کنار هم قرار دادن تعداد زیادی از واحدهای کوچک، ولتاژ بیشتری به دست آورد.
در یکی از آزمایش‌ها، یک قطعه در رطوبت نسبی حدود ۸۰ درصد توانست حدود ۰٫۳۴ ولت تولید کند. زمانی که ۱۰ قطعه به یکدیگر متصل شدند، ولتاژ خروجی به حدود ۲٫۹ ولت رسید.
پژوهشگران همچنین آرایه‌ای متشکل از ۳۵ قطعه را آزمایش کردند. این مجموعه توانست یک حسگر رطوبت را برای حدود ۱۵ دقیقه روشن نگه دارد. نمونه بسیار بزرگ‌تر نیز شامل ۱۵۹۶ قطعه بود و در شرایطی با رطوبت حدود ۳۸ درصد، نزدیک به ۳٫۵ ولت تولید کرد.
این اعداد نشان می‌دهند فناوری فعلاً برای تأمین برق وسایل پرمصرف مناسب نیست. بااین‌حال، برای حسگرهایی که انرژی بسیار کمی نیاز دارند و قرار است برای مدت طولانی در محیط کار کنند، چنین منبعی می‌تواند جذاب باشد.
روشن کردن کیبورد بی‌سیم با برق تولیدشده از رطوبت
یکی از آزمایش‌های جالب پژوهشگران، استفاده از انرژی تولیدشده برای راه‌اندازی یک کیبورد بی‌سیم بود. در این آزمایش، انرژی ابتدا در یک خازن ذخیره شد و سپس برای مدت کوتاهی در اختیار کیبورد قرار گرفت.
خازن در اینجا نقش یک مخزن موقت انرژی را ایفا می‌کند. از آنجا که کاغذ هوشمند جریان نسبتاً ضعیفی تولید می‌کند، جمع‌آوری انرژی در طول زمان و آزاد کردن آن در یک بازه کوتاه می‌تواند برای راه‌اندازی تجهیزات کم‌مصرف کاربردی‌تر باشد.
البته پژوهشگران هنوز مقدار کل توان خروجی این نسخه را اعلام نکرده‌اند و نمی‌توان عملکرد آن را با منابع برق متداول مانند باتری یا شبکه برق مقایسه کرد. هدف اصلی پروژه در این مرحله، اثبات امکان تولید انرژی و بررسی عملکرد ساختار پیشنهادی است.
این کاغذ فقط مولد برق نیست؛ رطوبت را هم تنظیم می‌کند
یکی از ویژگی‌های جالب فناوری جدید این است که کاغذ مورد نظر فقط برای تولید برق طراحی نشده و می‌تواند مانند یک تنظیم‌کننده رطوبت نیز عمل کند. مواد به‌کاررفته در ساختار آن قادرند بخشی از رطوبت موجود در هوا را جذب کنند و در شرایط خشک‌تر، مقداری از آب ذخیره‌شده را دوباره به محیط بازگردانند.
در یک آزمایش آزمایشگاهی، ۲۸ قطعه از این کاغذ توانستند میزان رطوبت محیط را در حدود چهار دقیقه از ۷۵ درصد به ۵۰ درصد کاهش دهند. هنگامی که همین کاغذها در محیط خشک قرار گرفتند، بخشی از رطوبت جذب‌شده را آزاد کردند و رطوبت هوا طی حدود ۱۶ دقیقه از ۱۵ درصد به ۲۰ درصد افزایش یافت.
در آزمایش دیگری که در یک اتاق انجام شد، آرایه بزرگ‌تر توانست میزان رطوبت را طی ۱۵ دقیقه از حدود ۳۸ درصد به ۳۲ درصد کاهش دهد. این نتایج نشان می‌دهند که یک نسخه توسعه‌یافته از این فناوری در آینده شاید بتواند به‌صورت هم‌زمان در مدیریت رطوبت و تأمین انرژی تجهیزات کوچک نقش داشته باشد.
آیا این فناوری می‌تواند مصرف انرژی ساختمان‌ها را کاهش دهد؟
یکی از انگیزه‌های مهم پژوهشگران برای توسعه این فناوری، مصرف انرژی بالای ساختمان‌ها برای کنترل شرایط محیط داخلی است. سیستم‌های گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع یا HVAC برای تنظیم دما و رطوبت به انرژی قابل توجهی نیاز دارند.
اگر کاغذهای هوشمند بتوانند در مقیاس بزرگ مقدار مشخصی از رطوبت محیط را جذب یا آزاد کنند و هم‌زمان انرژی مورد نیاز حسگرهای کوچک را تولید کنند، ممکن است در آینده بخشی از تجهیزات هوشمند ساختمان بدون نیاز به تعویض مداوم باتری فعالیت کنند.
برای مثال، حسگرهای اندازه‌گیری دما، رطوبت، کیفیت هوا یا وضعیت محیط می‌توانند از چنین منابع انرژی کوچکی استفاده کنند. این موضوع به‌خصوص در ساختمان‌های هوشمند اهمیت دارد؛ زیرا تعداد زیادی حسگر ممکن است در نقاط مختلف ساختمان نصب شوند و تأمین برق یا تعویض باتری همه آن‌ها دشوار باشد.
تولید انبوه کاغذ دیواری مولد برق چه زمانی ممکن است؟
یکی از نکات امیدوارکننده پروژه این است که فرایند ساخت نمونه اولیه به اتاق تمیز یا تجهیزات فوق‌العاده پیچیده نیاز ندارد. پژوهشگران از روش‌هایی مانند چاپ با موم، ایربراش، چاپ سیلک و برش لیزری برای ساخت نمونه‌ها استفاده کرده‌اند.
هدف بعدی این است که مراحل تولید تا حد امکان به فرایندهای چاپی منتقل شوند. چنین تغییری می‌تواند تولید تعداد زیادی از واحدهای کاغذ را ساده‌تر کند و در صورت موفقیت، هزینه ساخت را کاهش دهد.
بااین‌حال، هنوز فاصله قابل توجهی میان نمونه آزمایشگاهی و یک محصول تجاری وجود دارد. دوام در استفاده طولانی‌مدت، حفظ عملکرد در شرایط مختلف رطوبتی، افزایش توان خروجی، کاهش هزینه تولید و امکان نصب آسان از جمله چالش‌هایی هستند که باید پیش از ورود چنین فناوری‌ای به بازار حل شوند.
کاربردهای احتمالی کاغذ دیواری هوشمند
اگر عملکرد این فناوری در نسخه‌های آینده بهبود پیدا کند، می‌توان کاربردهای مختلفی برای آن در نظر گرفت. مهم‌ترین کاربرد احتمالی، تأمین انرژی تجهیزات بسیار کم‌مصرف است؛ تجهیزاتی که به جریان برق زیادی احتیاج ندارند اما باید به‌صورت مداوم فعال باشند.
- تأمین انرژی حسگرهای رطوبت و دما
- راه‌اندازی برخی تجهیزات کوچک اینترنت اشیا
- تأمین انرژی ماژول‌های ارتباط بی‌سیم کم‌مصرف
- استفاده در ساختمان‌های هوشمند
- کمک به پایش کیفیت شرایط محیط داخلی
- ذخیره انرژی تولیدشده در خازن برای استفاده در بازه‌های کوتاه
با توجه به توان فعلی، نباید انتظار داشت چنین کاغذی بتواند برق تلویزیون، یخچال، لپ‌تاپ یا دیگر وسایل پرمصرف خانه را تأمین کند. ارزش اصلی این ایده در تولید مقدار کمی انرژی به‌صورت محلی و بدون نیاز مستقیم به باتری یا کابل برق برای تجهیزات بسیار کم‌مصرف است.
آینده تولید برق از رطوبت هوا
فناوری تولید برق از رطوبت هنوز در مراحل ابتدایی توسعه قرار دارد، اما ایده استفاده از سطح دیوار برای جمع‌آوری انرژی محیطی می‌تواند مسیر جالبی برای نسل آینده ساختمان‌های هوشمند ایجاد کند. دیوارها سطح بسیار بزرگی در اختیار طراحان قرار می‌دهند و اگر بتوان از بخشی از این سطح برای جذب رطوبت و تولید انرژی استفاده کرد، تجهیزات کوچک می‌توانند به منبع انرژی نزدیک‌تری دسترسی داشته باشند.
بااین‌حال، نتایج فعلی نباید به‌عنوان اثبات آمادگی این فناوری برای استفاده تجاری تلقی شوند. آزمایش‌های انجام‌شده محدود و اولیه هستند و مشخص نیست نمونه‌های بزرگ‌تر در استفاده طولانی‌مدت و شرایط واقعی ساختمان چه عملکردی خواهند داشت.
در صورت حل این چالش‌ها، ترکیب تولید برق از رطوبت هوا، تنظیم رطوبت و تأمین انرژی حسگرها می‌تواند کاغذ دیواری را از یک محصول دکوراتیو ساده به بخشی از زیرساخت ساختمان‌های هوشمند تبدیل کند؛ محصولی که به‌جای مصرف صرف انرژی، بخشی از انرژی مورد نیاز تجهیزات کوچک را از محیط اطراف خود دریافت می‌کند.
برای اطلاعات بیشتر درباره فناوری‌های نوین، انرژی پاک و تازه‌ترین دستاوردهای علمی، به ایران نت مراجعه کنید.
“`
