انقلابی در تولید برق خورشیدی ☀️
انرژی خورشیدی یکی از پایههای آینده تجدیدپذیر ماست، اما چگونه میتوانیم آن را کارآمدتر کنیم؟ پژوهشگران به تازگی از روشی نوآورانه رونمایی کردهاند که عملکرد مولدهای ترموالکتریک خورشیدی (STEG) را تا ۱۵ برابر افزایش میدهد، آن هم تنها با ۲۵٪ افزایش وزن. این نوآوری میتواند شیوه تأمین انرژی دستگاههای الکترونیکی کوچک، از حسگرهای دوردست گرفته تا ابزارهای پوشیدنی، را متحول کند.
مولدهای STEG با تبدیل مستقیم اختلاف دما به الکتریسیته کار میکنند، اصلی که به اثر سیبک (Seebeck effect) معروف است. هرچه اختلاف دما (ΔT) بین سمت گرم و سرد دستگاه بیشتر باشد، توان بیشتری تولید میشود. با این حال، استفاده گسترده از این مولدها به دلیل دو چالش بزرگ محدود شده است: بازده پایین مواد ترموالکتریک و دشواری مدیریت مؤثر حرارت.
جادوی لیزرهای فمتوثانیه 🔬
راز این جهش عظیم در عملکرد، در تکنیکی به نام مهندسی طیفی با لیزر فمتوثانیه نهفته است. این روش شامل استفاده از پالسهای لیزری فوقالعاده کوتاه و قدرتمند (با دوامی در حدود یک کوادریلیوم ثانیه) برای تغییر دقیق سطح مواد در مقیاس نانو و میکرو است. این تیم پژوهشی، این تکنیک را بر روی هر دو سمت مولد STEG با نتایجی شگفتانگیز به کار برد.
بهینهسازی سمت گرم: جذب حرارت، نه اتلاف آن 🔥
در سمت گرم که رو به خورشید قرار دارد، هدف جذب حداکثری انرژی خورشیدی و جلوگیری از تابش مجدد این گرما به محیط است. پژوهشگران با استفاده از لیزر، سطح استاندارد تنگستن (W) را به یک جاذب خورشیدی گزینشی (W-SSA) تبدیل کردند. نانوساختارهای حکشده با لیزر، سطح را در جذب نور خورشید در تمام طیف آن فوقالعاده کارآمد میکنند (دستیابی به جذب بیش از ۹۰٪)، اما در عین حال، توانایی آن برای انتشار گرما در محدوده فروسرخ (IR) را به شدت کاهش میدهند. این ویژگی گزینشی برای رساندن سطح به بالاترین دمای ممکن حیاتی است.
برای به حداقل رساندن بیشتر اتلاف حرارت، آنها یک «محفظه گلخانهای» هوشمندانه طراحی کردند—در واقع یک لایه نازک هوا را با یک فیلم پلاستیکی شفاف روی سطح داغ محبوس کردند. هوا رسانای ضعیف گرماست، بنابراین این محفظه اتلاف حرارت ناشی از همرفت را بیش از ۴۰٪ کاهش میدهد و مانند یک عایق کوچک و بسیار مؤثر عمل میکند.
تسلط بر سمت سرد: دفع کارآمد گرما ❄️
در سمت سرد، چالش دقیقاً برعکس است: باید گرما را با بیشترین سرعت ممکن دفع کرد تا اختلاف دمای زیادی حفظ شود. در اینجا، تیم از همان تکنیک لیزری برای تبدیل یک فویل آلومینیومی (Al) معمولی به یک دفعکننده حرارت میکروساختار با ظرفیت فوقالعاده بالا (μ-dissipator) استفاده کرد. لیزر، شیارها و برجستگیهای میکرویی پیچیدهای را روی آلومینیوم حکاکی کرد که سطح تماس برای خنکسازی همرفتی (انتقال گرما به هوا) را به شدت افزایش میدهد. علاوه بر این، نانوساختارهای ایجاد شده روی این سطح بافتدار، آن را به یک تابشدهنده بسیار مؤثر حرارت فروسرخ نیز تبدیل میکند. این طراحی دوگانه، عملکرد خنککنندگی را در مقایسه با یک هیتسینک آلومینیومی استاندارد با همان اندازه، دو برابر میکند.
اثر همافزایی: یک جهش ۱۵ برابری ⚡
وقتی این دو نوآوری—سمت گرم بهبودیافته و سمت سرد فوقخنک—با هم ترکیب میشوند، اثری همافزا ایجاد میکنند. این سیستم اختلاف دما (ΔT) را در دو سر ماده ترموالکتریک به حداکثر میرساند و باعث افزایش چشمگیر توان خروجی میشود. آزمایشها نشان داد که توان تولیدی در مقایسه با یک STEG استاندارد، ۱۵ برابر افزایش یافته است.
برای درک بهتر این موضوع، یک STEG استاندارد تحت تابش ۱۰ برابر نور خورشید حتی قادر به روشن کردن یک LED نبود. اما با بهبودهای جدید، STEG توانست همان LED را با حداکثر روشنایی تنها با تابش ۵ برابری روشن کند. این جهش در عملکرد، طیف گستردهای از کاربردها، از جمله حسگرهای خودتأمین انرژی برای اینترنت اشیاء (IoT)، لوازم الکترونیکی پوشیدنی و راهحلهای تأمین برق خارج از شبکه را ممکن میسازد.
این پژوهش، پتانسیل عظیم پردازش لیزری پیشرفته و مدیریت هوشمند حرارتی را در جابجایی مرزهای فناوری انرژیهای تجدیدپذیر به نمایش میگذارد. این یک گام قدرتمند به سوی برداشت انرژی خورشیدی کارآمدتر و فشردهتر است.
از منبع بیشتر بیاموزید: https://news.ycombinator.com/item?id=45030038