على طول سواحل العالم حيث تلتقي المياه العذبة التي تجري بها الأنهار، والمياه المالحة التي تدور في البحار والمحيطات حول العالم؛ يوجد مصدر غير مستغل للطاقة إلى حد كبير، وهو الفرق في الملوحة بين مياه البحر والمياه العذبة، ويمكن لجهاز نانوي جديد استغلال هذا الاختلاف لتوليد الطاقة، حسب ما كشف عنه بحث جديد.
فقد أعلن فريق من الباحثين في جامعة إلينوي أوربانا شامبين عن تصميم لجهاز نانوي للموائع قادر على تحويل التدفق الأيوني الناتج عن فرق الملوحة بين الماءين إلى طاقة كهربائية قابلة للاستخدام، ومن المنتظر أن ينشر الفريق نتائج بحثه في عدد ديسمبر/كانون الأول 2023 من دورية “نانو إنيرجي”.
فكرة عمل الجهاز
عندما يلتقي جسمان مائيان مختلفان في الملوحة -كما هي الحال عندما يصب نهر في المحيط- تتدفق جزيئات الملح بشكل طبيعي من التركيز الأعلى إلى التركيز الأقل، ويمكن حصد طاقة هذه التدفقات لأنها تتكون من جزيئات مشحونة كهربائيا تسمى الأيونات التي تتشكل من الملح المذاب.
وصممت مجموعة جان بيير ليبورتون -أستاذ الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر بالجامعة- جهازا شبه موصل على المستوى النانوي يستفيد من الأيونات المتدفقة والشحنات الكهربائية في الجهاز. فعندما تتدفق الأيونات عبر قناة ضيقة في الجهاز، فإن القوى الكهربائية تتسبب في انتقال شحنات الجهاز من جانب إلى آخر؛ مما يخلق جهدا وتيارا كهربائيا.
ووجد الباحثون سلوكين مفاجئين عندما قاموا بمحاكاة أجهزتهم؛ ففي حين توقعوا أن الجهاز سيعمل في المقام الأول من خلال قوى الجذب بين الشحنات الكهربائية المتضادة، أشارت عمليات المحاكاة إلى أن الجهاز يعمل بشكل جيد كذلك إذا كانت القوى الكهربائية متنافرة، ومن ثم تسهم كل من الأيونات موجبة وسالبة الشحنة في عمل الجهاز.
تطبيقات متعددة وتطوير منتظر
وقال طالب الدراسات العليا في مجموعة ليبورتون والمؤلف الرئيسي للدراسة مينجي شيونغ إنه “نظرًا لأن الأيونات المتحركة ضخمة جدًا مقارنة بشحنات الجهاز، فإنها تنقل كميات كبيرة من الزخم إلى الشحنات، مما يؤدي إلى تضخيم التيار الأساسي”.
وقال ليبورتون رئيس المشروع -في البيان الصحفي المنشور على موقع “فيز دوت أورغ”- “رغم أن تصميمنا لا يزال مجرد تصور في هذه المرحلة، فإنه متعدد الاستخدامات، ويظهر بالفعل إمكانات قوية لتطبيقات الطاقة”.
ويضيف “نعتقد أن كثافة الطاقة لمجموعة الأجهزة يمكن أن تعادل أو تتجاوز كثافة الخلايا الشمسية”، “ناهيك عن التطبيقات المحتملة في مجالات أخرى مثل الاستشعار الطبي الحيوي والسوائل النانوية”.
ويعتقد الفريق أن جهازه المتوقع يمكن استخدامه لاستخراج الطاقة من التدفقات الأيونية الطبيعية عند حدود تلاقي مياه البحر والمياه العذبة، لذلك فإن القائمين عليه بصدد تسجيل براءة اختراع لنتائجهم، ويدرسون كيفية توسيع نطاق هذه الأجهزة لتوليد الطاقة بشكل عملي.