يتم إهدار الكثير من الطاقة التي تحيط بنا في الحياة اليومية: فهي تتبدد من خلال الحركة والاهتزاز والاتصال بالأسطح والاحتكاك الطبيعي. لفترة طويلة، كانت هذه الخسائر تعتبر صغيرة جدًا بحيث لا يمكن البدء في دراستها.
ومع ذلك، في السنوات الأخيرة، بدأ الفيزيائيون والمهندسون في اعتبار هذه العمليات مصدرًا محتملاً للكهرباء. تركز هذه الدراسات على التأثير الكهربائي الاحتكاكي. اقرأ المزيد في مقال رامبلر.
ما هي كهربة تريبو؟
كهربة الاحتكاك هي ظاهرة يتم فيها إعادة توزيع الإلكترونات أو الأيونات بين مادتين عندما تتلامسان أو تفركان أو تنفصلان. هذه الظاهرة مألوفة لدى الجميع: لمسة خفيفة على سطح الزجاج بعد الاحتكاك يمكن أن تسبب كهرباء ساكنة، ويصبح الشعر بالقرب من الزجاج “متحركا”، وتلتصق الملابس بالجسم عند مغادرة السيارة – هذه كلها مظاهر لتأثير الاحتكاك.
في الفيزياء، تُعرف هذه العملية أيضًا باسم الكهرباء الإحصائية وهي تكمن وراء الشحنة المتبقية التي يمكن أن تتراكم على سطح المادة بعد التفاعل الميكانيكي. في السنوات الأخيرة، كان المهندسون يبحثون بنشاط عن كيفية تحويل هذه الشحنة إلى طاقة مفيدة.
كيف يصبح تأثير الاحتكاك مصدرا للطاقة؟
الأداة التقنية الرئيسية للتطبيقات العملية للكهرباء الاحتكاكية هي المولد النانوي الكهربائي الاحتكاكي (TENG). تستخدم هذه الأجهزة اتصال المواد وفصلها لتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية.
مبدأ التشغيل بسيط من حيث المفهوم ولكنه معقد من حيث التنفيذ: عندما تتلامس مادتان لهما ميول مختلفة لالتقاط الإلكترون مع بعضهما البعض ثم تنفصلان، يظهر فرق الجهد على سطحيهما. إذا تم توصيل هذه المواد على التوالي بواسطة أقطاب كهربائية، فيمكن استخدام هذا الجهد لتوليد تيار كهربائي.
سبعة اكتشافات علمية عرضية غيرت العالم مرة واحدة وإلى الأبد
جذبت TENGs اهتمامًا علميًا واسع النطاق لأول مرة في عام 2012، عندما أظهر مجموعة من الباحثين قدرة هذه الأجهزة على حصد الطاقة من الحركات المحيطة. منذ ذلك الحين، زادت كثافة الطاقة وإنتاج الطاقة بشكل ملحوظ بفضل تحسين المواد والتصميم.
البحوث الحديثة
1. من احتكاك الماء إلى “تجديد” الطاقة.
أحد أحدث الإنجازات في مجال تكنولوجيا كهرباء الاحتكاك هو عمل مجموعة من العلماء بقيادة سيمون ميلوني من جامعة فيرارا (إيطاليا). لقد طوروا ما يسمونه المولد النانوي الكهربائي الاحتكاكي بالبثق، وهو نظام يولد الكهرباء عن طريق دفع الماء بشكل مستمر داخل وخارج المسام ذات الحجم النانوي في السيليكون المسامي.
الابتكار الرئيسي هو استخدام مواد ذات أسطح داخلية كبيرة جدًا: يمكن أن يحتوي جرام واحد من البنية المسامية على مساحة داخلية تعادل ملعب كرة قدم. أثناء اختراق المياه وإزاحتها على مقياس النانومتر، تحدث آلاف دورات الاتصال والانفصال السطحي – وهذا ما يسبب الشحن والتيار المتردد مع الدائرة المناسبة.
قام الباحثون بتعديل السطح ليكون كارهًا للماء، مما يعني أنه يطرد الماء، مما يسمح بالتناوب الموثوق لنقاط الاتصال. وأكد أن النموذج الأولي حقق كفاءة في تحويل الطاقة تبلغ حوالي 9%، وهي نتيجة مهمة في المراحل الأولى من التكنولوجيا. الميكانيكا الشعبية.
ويجري استكشاف هذا النهج في مشروع الانصهار الكهربائي الذي يموله الاتحاد الأوروبي. أحد التطبيقات الواعدة هو ممتصات الصدمات المتجددة للسيارات الكهربائية، والتي يمكن أن تستعيد 5 إلى 10 بالمائة من الطاقة المفقودة عادة بسبب الاحتكاك أثناء القيادة.
2. من الإلكترونيات الاستهلاكية إلى الأنظمة الكبيرة
على الرغم من أن TENG والتقنيات المماثلة يجري تطويرها حاليًا في المختبرات، فإن إمكانية استخدام كهربة الاحتكاك هائلة. أظهرت الأجهزة التي يمكنها حصد الطاقة من الحركات اليومية – خطوات الإنسان، واهتزازات الآلات، والاهتزازات السطحية – أنها قادرة على دعم تشغيل الإلكترونيات منخفضة الطاقة، وأجهزة الاستشعار، والأجهزة القابلة للارتداء دون الحاجة إلى مصدر طاقة خارجي.
وهكذا، في بعض النماذج الأولية، يتم خياطة المولدات النانوية الكهربائية الاحتكاكية في الأحذية أو الملابس، ويولد التأثير الميكانيكي للمشي أو تحريك الذراع الكهرباء اللازمة لشحن البطاريات الصغيرة أو تشغيل أجهزة الاستشعار اللاسلكية.
وتشمل مجالات البحث الأخرى حصاد الطاقة من اهتزازات الآلات، وحركة المياه الطبيعية، والتدفقات الميكانيكية الأخرى حيث كانت الطاقة تهدر في السابق. ونظرًا لتصميمها البسيط وتكاليف المواد المنخفضة نسبيًا، يمكن لـ TENGs أن تكمل مصادر الطاقة الموجودة، خاصة عندما يكون الاتصال بالشبكة التقليدية غير ممكن أو مجدي اقتصاديًا.
القيود العلمية
وعلى الرغم من الوعد، تظل الأسئلة الأساسية مفتوحة. حتى الآن، لم يعرف العلماء بالضبط لماذا وكيف يحدث نقل الشحنة عندما تتلامس المواد على المستوى المجهري – ويظل هذا موضوعًا للنقاش بين الباحثين في فيزياء السطح. تصف الطبيعة تأثير الكهربة بشكل تجريبي، لكن آلية نقل الإلكترون والأيونات في المواد المختلفة لا تزال قيد البحث.
بالإضافة إلى ذلك، فإن أداء المكونات الكهربائية الاحتكاكية لا يسمح لها بعد بالتنافس مع مصادر الطاقة التقليدية ذات الطاقة العالية. وتكمل هذه الأنظمة النظام البيئي للطاقة بدلاً من استبدال المولدات والبطاريات التقليدية. تتطلب مشكلات المتانة والاستقرار والأداء طويل المدى للمواد في ظل الدورات المتكررة أيضًا مزيدًا من البحث.
لقد كتبنا سابقًا عن متى سيكون لدينا طاقة غير محدودة.