باحثون يتوصلون لطريقة لتوليد الكهرباء على نحو مستمر من الهواء

طوّر مهندسون من جامعة ماساتشوستس أمهيرست، تقنية لتوليد الكهرباء من بخار الماء الموجود في الهواء، أطلقوا عليها اسم "تأثير إير-جين العام" (generic Air-gen effect)، وذلك باستخدام مادة لها ثقوب نانوية بقطر أقل من 100 نانومتر لتوليد الكهرباء بشكلٍ مستمر، ما قد يكون وسيلة لتوليد الكهرباء باستمرار وفاعلية.

كيف تتولد الكهرباء من رطوبة الهواء؟

ولّد المهندسون الكهرباء بطريقة تشكيل البرق في السُحب، وأوضحوا في الدراسة المنشورة في دورية أدفانسد ماتيريال، أن الكهرباء موجودة في الهواء، وما علينا سوى إيجاد طريقة لحصدها، وذلك باستخدام أي مادة تحقق شروطاً محددة.

يقول جون ياو، الأستاذ المساعد في الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسوب في كلية الهندسة في جامعة ماساتشوستس أمهيرست، والمؤلف الرئيسي للبحث: "يحتوي الهواء على كمية هائلة من الكهرباء. فكّر في السحابة، هي ليست إلّا كتلة من قطرات الماء. تحمل كلٌّ من هذه القطرات شحنة، وعندما تكون الظروف مناسبة، يمكن للسحابة إنتاج صاعقة البرق، لكننا لا نعرف كيفية التقاط الكهرباء من البرق بشكلٍ موثوق. ما فعلناه هو إنشاء سحابة صغيرة الحجم من صنع الإنسان تنتج الكهرباء بشكلٍ متوقع ومستمر حتى نتمكن من حصادها".

أبحاث مستمرة

انطلق هذا البحث استناداً إلى بحث سابق (منشور في دورية نيتشر عام 2020)، للباحث المشارك ديريك لوفلي، أستاذ علم الأحياء الدقيقة في الجامعة ذاتها، والذي أظهر أنه يمكن حصاد الكهرباء باستمرار من الهواء باستخدام مادة متخصصة مصنوعة من أسلاك نانوية بروتينية نمت من بكتيريا جيوباكتر سلفاريدوسينس (Geobacter sulfurreducens)، وقد بيّن هذا البحث الجديد إمكانية توليد الكهرباء بوجود أي مادة لها ثقوب نانوية تتمتع بخصائص مماثلة.

مبدأ عمل الطريقة

تعتمد الطريقة على مبدأ يُسمى "متوسط المسار الحر"، وهي المسافة التي ينتقل بها جزيء واحد من مادة ما قبل أن يصطدم بجزيء واحد آخر من المادة نفسها، وفي هذه الحالة بخار الماء الموجود في الهواء هو المادة، ويكون متوسط مسارها الحر نحو 100 نانومتر، لذلك فإن أهم خصائص المادة المولدة للكهرباء بهذه الطريقة هو احتوائها على ثقوب أصغر من 100 نانومتر، أي أقل من واحد من ألف من عرض شعرة الإنسان.

بناء على هذا المبدأ، صمم الباحثون جهازاً مكوناً من طبقة رقيقة من مادة غنية بمسام نانوية قطرها أصغر من 100 نانومتر والتي تسمح لجزيئات الماء بالمرور من الجزء العلوي إلى الجزء السفلي من المادة.

ونظراً لأن المسام صغيرة جداً، فإن جزيئات الماء ستصطدم بسهولة بحوافها في أثناء مرورها عبر الطبقة الرقيقة. هذا يعني أن الجزء العلوي من الطبقة سيتم قصفه بالعديد من جزيئات الماء الحاملة للشحنة أكثر من الجزء السفلي، ما يؤدي إلى اختلال توازن الشحنة، تماماً كما يحدث في السحابة المطيرة التي تحتوي في الجزء العلوي منها على شحنة أكبر من الجزء السفلي.

بالاستناد إلى هذه الفكرة البسيطة، يمكن إنشاء بطارية تعمل طالما توجد الرطوبة في الهواء، ويمكن صنع هذه البطارية من مجموعة واسعة من المواد الفعّالة، وبالتكلفة المعقولة نفسها، بالإضافة إلى أنه يمكن اختيار المادة المناسبة للبيئة التي توجد فيها البطارية، من الغابات المطيرة أو حتى المناطق القاحلة.

يمكن تكديس طبقات من هذه المادة داخل الجهاز لزيادة الطاقة الناتجة بكفاءة ليصبح الجهاز الهوائي قادراً على توفير طاقة بمستوى الكيلو واط للاستخدام العام للمرافق الكهربائية.

ثورة مستقبلية

من المتوقع أن تشكّل هذه التقنية ثورة في إنتاج الطاقة المتجددة، فهي على عكس طاقة الرياح أو الطاقة الشمسية، تعمل على مدار الساعة وطوال أيام الأسبوع دون انقطاع، بتكلفة معقولة وقابلة للتطوير، ولا تتأثر بالظروف الجوية كالطرق الأخرى التي تعمل في ظروف معينة، فبخار الماء دائماً موجود في الهواء.

يقول ياو: "تخيل عالماً في المستقبل تتوفر فيه الكهرباء النظيفة في أي مكان تذهب إليه، «تأثير جين الهواء العام» يعني أن هذا العالم المستقبلي يمكن أن يصبح حقيقة".