فناوری نانو و مبحث انرژی
(قسمت سوم)
تولید برق حرارتی
فناوری نانو در تلاش است که با تولید برق حرارتی (ترموالکتریسیته)، انرژی گرمایی را به الکتریسیته مبدل کند. این موضوع وقتی جذاب شد که در سال 1998 یک ساعت مچی عقربه ای ساخته شد که با گرمایی که از بدن تأمین می شد کار کرد. ترموالکتریسیته عبارتست از تبدیل گرما به الکتریسیته و برعکس، اساس ترموالکتریسیته، تماس دو ماده رسانای الکتریسیته متفاوت است. این دوماده رسانا باید گرما را با سرعت های متفاوتی در دو اتصال (ترموکوپل) در یک حلقه بسته هدایت می کنند. اعمال گرما در یک اتصال در حالی که اتصال دیگر را خنک نگه داشته ایم، جریان الکتریسیته را در داخل حلقه گرمایی به وجود می آورد.
با به هم پیوستن تعداد زیادی از حلقه های مولد برق حرارتی یک واحد حرارتی تولید می شود که می تواند برق وسایلی مثل رادیو و ساعت را تأمین کند. چنانچه عکس این عمل انجام شود یعنی الکتریسیته از حلقه عبور کند می توان اختلاف گرمایی ایجاد کرد و اتصال ها گرم یا سرد خواهند شد. این خصوصیت می تواند در یخچال ها و بخاری ها مورد استفاده قرار گیرد. هم فلزات و هم نیمه رساناها می توانند برای ایجاد این فرایند مورد استفاده قرار بگیرند. مولدهای برق حرارتی مزایای زیادی دارند آن ها کوچک ترند و هیچ قسمت مکانیکی که با گذشت زمان احتمالاً از کار بیفتد یا خراب شود، ندارن د ولتاژ تولیدی آن ها با اختلاف دما نسبت مستقیم دارد.
برخی لوازم حرارت برقی تقریباً یک قرن است که مورد استفاده قرار می گیرند، اما کارآیی آن ها بسیار ضعیف است. نیمه رساناهای نانومتری جدیدی ساخته شده اند که بازدهی آنها 3 تا 4 برابر بیشتر از بهترین نیمه رساناهای قبلی است.به علت ساختار نانومتری این مواد، انتقال گرما کند می شود و الکترون ها همچنان اجازه حرکت آزادانه را دارند. با ترکیب این مولدها به کمک مواد نانوساختار، واحدهای برق حرارتی بزرگ تری می توان ساخت. در آینده پیش بینی می شود که چنین واحدهایی بتوانند گرمای زائد حاصل از موتورهای وسایل نقلیه و اگزوزها را به برق تبدیل کنند و نیاز به دینام (مولد برق متناوب) برای به کار انداختن قطعات الکتریکی و پر کردن باتری ماشین را بر طرف کنند. از آنجایی که در بسیاری از کاربردها اتلاف انرژی به صورت گرما است. تلاش می شود که از این واحدهای برق حرارتی حداکثر استفاده در بازیابی انرژی شود. برق تولیدی برای به کار انداختن حسگرها و وسایل کوچک مثل ساعت های مچی در یک آبرخازن ها ذخیره می شود.
کاربردهای وسایل برقی حرارتی
وسایل برقی حرارتی صرف نظر از تولید انرژی اندک، کاربردهای مفید دیگری نیز دارند. اولین کاربرد تجاری برق حرارتی با ساختار نانو در صنعت کامپیوتر برای خنک کردن ریزپردارنده ها است. بازار خرید و فروش برای مدیریت گرمایی در صنعت الکترونیک بسیار گسترده است. ریزپردازنده های معمولی توسط خنک کننده های مکانیکی (پنکه) خنک نگه داشته می شوند، با این حال تعداد و تراکم فرآینده ترانزیستورها بر روی قطعات کامپیوتری قدرتمندتر، موفقیت در استفاده از خنک کننده های مکانیکی را تقریباً غیرممکن ساخته است.
این ابزار نانوذرات فلزی و نیمه رسانا تشکیل شده است که با مولکول های بنزدیتیول، ماده ای آلی و ارزان قیمت حاوی گوگرد و اتم های هیدروژن، به یک کربن متصل شده اند. موادی که تلفیق نانوذرات و نیمه رساناها هستند الکتریسیته را هدایت می کنند، اما این اختلاف دما است که ولتاژ ایجاد می کند. در یک ابزار که با برق حرارتی کار می کند، مواد بین دو الکترود قرار گرفته اند. یک الکترود داغ و دیگری خنک می شود. در نتیجه اختلاف دما ولتاژی ایجاد می شود که به مدار بیرونی انتقال می یابد. نقش حرارت، جابجایی الکترون های آزاد است.
پیل سوختی
یكی از مهمترین پیشرفتهای صورت گرفته در تولید انرژی با راندمان بالا و آلودگی كم، ساخت پیلهای سوختی می باشد. پیلهای سوختی به روش شیمیایی با واكنش گازهای هیدروژن و اكسیژن با هم آب، گرما و جریان الكتریسیته تولید میكنند. تاریخچه این مولدها به دو دوره تقسیم می شود: دوره اول که حدود 100 سال طول کشید، از سال 1839 با ساخت اولین پیل سوختی با الکترولیت اسید سولفوریک آغاز شد. دوره دوم از سال 1940 آغاز شد و پیل هایی با ظرفیت 2/0 تا 15 وات ساخته شد. در سال 1965 یک پیلهای سوختی با توان 1 کیلووات برای استفاده در یک ماهواره ساخته شد.
ساز و کار تولید انرژی در میان انواع پیل های سوختی متفاوت است، در هر مورد یونی باردار (كه معمولاً هیدروژن یا اكسیژن است) در یك قطب تولید میشود و از طریق حائل میانی که یون ها را عبور می دهد به قطب دیگر انتقال می یابد. الكترونهای تولید شده در مداری خارجـی، بـرق تامین می کنند. درواقع پیل سوختی سیستمی است كه انرژی شیمیایی حاصل از واكنش سوخت و اكسید كننده را مستقیما به انرژی الكتریكی تبدیل می كند . انواع مختلفی از پیل های سوختی ساخته شده اند.
در یک تقسیم بندی کلی پیلهای سوختی به دو دسته تقسیم میشوند: پیل هایی که دمای فعالیت بالایی دارند (بالاتر از 200 درجه سانتیگراد) و برای برق رسانی به واحدهای کل ساختمان ها مناسب هستند (مثل پیلهای سوختی اكسید جامد و كربنات مذاب) و واحدهای کم دماتر كه برای برق رسانی دستگاهها و ابزار سیار میباشند (مثل پیلهای سوختی با غشای تبادل پلیمری و پیلهای سوختی متانول مستقیم). پیلهای دما پائین معمولا در اتومبیل ها و پیل های دمای بالا در تولید برق مورد استفاده قرار می گیرد.
واحدهای پر حرارت میتوانند از گاز طبیعی استفاده كنند تا هیدروژن تولید كنند. واحدهای کم دما به جز پیلهای سوختی متانول مستقیم خودشان به گاز هیدروژن نیاز دارند. در حال حاضر بیشترین تولید هیدروژن از گاز طبیعی میباشد؛ با این حال امید می رود که در آینده از انرژیهای تجدیدشدنی برای تولید برق لازم برای الكترولیز آب به هیدروژن و اكسیژن استفاده شود (یعنی برعکس واكنشی که یك پیل سوختی دارد). فناوری نانو میتواند راهحلهایی برای هزینه مواد مصرفی، بازدهی پیل سوختی و ذخیره هیدروژن خروجی ارائه دهد.
فناوری نانو در ساخت اجزاء مختلف پیل سوختی مورد استفاده قرار می گیرد. این اجزاء عبارتند از:
الكترودها: با توجه به نسبت بالای سطح به حجم ذرات نانو و توانایی بسیار زیاد در ایجاد تخلخل های بسیار بالا به كمك فناوری نانو ، تحقیقات در زمینه ساخت الكترودها بر روی مواد نانو متمركز شده است. همچنین با استفاده از الكترودهای نانوساختار، میزان رسوب گذاری كربن بر روی الكترودها در حین كار كاهش می یابد.
الكترولیت: كاهش دمای كاری و ابعاد پیل ها از جمله اهداف تحقیقات مربوط به الكترولیت ها می باشد. تحقیقات انجام شده نشان می دهد كه كنترل ابعاد مرزهای حاصل از حضور ذرات تقویت كننده در ابعاد نانومتر تاثیر زیادی بر روی هدایت یونی و انرژی اكتیواسیون دارد. همچنین استفاده از الكترولیت های نانوساختار كامپوزیتی باعث افزایش توان، کاهش دمای كاری و افزایش راندمان پیل ها می گردد.
ادامه دارد...
مریم نایب زاده
بخش دانش و زندگی تبیان
منابع:
nanotech – sciencedaily – nano - nanoclub - edu.nano - nanowerk
کتاب آشنایی با فناوری نانو (2) - سلیمی،طاهری،احمدوند