شارك
الرئيسية
3 دقائق 
تعد مولدات الطاقة النانوية القابلة للارتداء من التقنيات الحديثة والمبتكرة، وقد صُنعت بهدف توفير مصادر طاقة صغيرة الحجم وخفيفة الوزن، لتزويد الأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء والأجهزة الطبية والحساسات الذكية بالطاقة اللازمة دون الحاجة إلى البطاريات.
ما هي مولدات الطاقة النانوية القابلة للارتداء؟
مولدات الطاقة النانوية القابلة للارتداء (TENG) هي أجهزة تلتقط الطاقة من البيئة، ويمكنها تحويل أنواع مختلفة من الطاقة (الميكانيكية والحرارية والكيميائية) إلى كهرباء، بما في ذلك حركات الجسم وأمواج الماء والرياح والاهتزازات وغيرها. تُعرف هذه المولدات أيضاً باسم المولدات النانوية الكهربائية الاحتكاكية، وتعد تقنية واعدة بسبب قدرتها على تشغيل الإلكترونيات المصغرة القابلة للارتداء وأجهزة الاستشعار ذاتية التشغيل.
بعد تطوير الأجهزة الإلكترونية الذكية القابلة للارتداء، زاد الطلب على مولدات طاقة دقيقة الحجم وخفيفة الوزن، وتعمل بكفاءة عالية، وهو ما يمكن تحقيقه من خلال الأجهزة النانوية القابلة للارتداء.
تتكون الأجهزة النانوية القابلة للارتداء من مادتين متصلتين ببعضهما بعضاً، وعند فصلهما، تتولد شحنة كهربائية. يمكن تخزين الشحنة المتولدة في مكثف أو استخدامها لتشغيل الجهاز مباشرة.
اقرأ أيضاً: ما هي التقانة النانوية؟
كيف تعمل المولدات النانوية الكهربائية القابلة للارتداء؟
تعمل مولدات الطاقة النانوية القابلة للارتداء عن طريق توليد شحنة كهربائية من خلال الاتصال والفصل بين مادتين لهما ارتباطات إلكترونية مختلفة. عندما تتلامس المادتان، تنتقل الإلكترونات من مادة إلى أخرى، ما يخلق فرق جهد بينهما. عندما يتم فصل المواد، يؤدي فرق الجهد إلى تدفق الإلكترونات من مادة إلى أخرى مولداً تياراً كهربائياً فيما يعرف باسم التأثير الكهربائي الاحتكاكي.
أنماط العمل المختلفة
يمكن أن تعمل مولدات الطاقة النانوية القابلة للارتداء في أوضاع عمل مختلفة، بما في ذلك وضع فصل الاتصال، ووضع الانزلاق، ووضع القطب الواحد. في وضع الفصل التلامسي، تتم ملامسة المادتين ومن ثم فصلهما لتوليد شحنة كهربائية. في الوضع المنزلق، تنزلق المادتان ضد بعضهما بعضاً لتوليد شحنة كهربائية. في وضع القطب الواحد، يتم استخدام مادة واحدة فقط، ويتم توليد الشحنة الكهربائية عن طريق الاتصال والفصل بين أجزاء مختلفة من المادة.
المواد الداخلة في صناعتها
يمكن تصنيعها باستخدام مواد مختلفة، بما في ذلك البوليمرات والمعادن والمنسوجات. تُصنع المنسوجات منها عن طريق ربط أو طباعة الأجهزة مباشرة على المنسوجات أو عن طريق تصنيع خيوط وظيفية يتم نسجها. تعد هذه الطريقة بسيطة ولكنها غير مناسبة للتكامل السلس للنسيج. بينما تعد الخيوط الكهربائية الاحتكاكية أكثر ملاءمة لتكامل المنسوجات، على الرغم من أن صناعتها أكثر تعقيداً.
اقرأ أيضاً: تكنولوجيا النانو.. كيف تتغير حياة البشر بمقياس متناهي الصغر؟
تطبيقات مولدات الطاقة النانوية القابلة للارتداء
تتمتع هذه التقنية بمجموعة واسعة من التطبيقات المحتملة في مختلف المجالات، ومنها:
- تشغيل الإلكترونيات القابلة للارتداء مثل الساعات الذكية وأجهزة تتبع اللياقة البدنية وأجهزة مراقبة الصحة، ما يلغي الحاجة إلى البطاريات وغيرها من مصادر الطاقة غير المتجددة.
- تشغيل الأجهزة الطبية مثل أجهزة تنظيم ضربات القلب وأجهزة الاستشعار القابلة للزرع، ما يلغي الحاجة إلى استبدال البطارية أيضاً ويقلل من خطر الإصابة بالعدوى.
- استخدامها كأجهزة استشعار للمراقبة البيئية، مثل الكشف عن تلوث الهواء وجودة المياه.
- استخدامها كأجهزة استشعار للتطبيقات الأمنية، مثل اكتشاف الحركة البشرية وتحديد هوية الأفراد.
- استخدامها كمصادر طاقة محمولة وقابلة للارتداء لمختلف التطبيقات، مثل حالات الطوارئ والأنشطة الخارجية.
اقرأ أيضاً: أهم استخدامات تكنولوجيا النانو في مجال الزراعة
مزايا استخدام المولدات النانوية القابلة للارتداء
تتمتع هذه المولدات بالعديد من المزايا، منها:
- سهولة التصنيع بسبب مكوناتها البسيطة وتكلفتها المقبولة.
- سهولة الارتداء، إذ يمكن دمجها بالملابس والأحذية وأساور المعصم، دون إضافة وزن أو حجم كبيرين.
- المتانة المرتفعة فهي تتحمل الضغط الميكانيكي المتكرر دون فقدان قدراتها على حصاد الطاقة.
- زمن استجابتها قصير، ويمكنها توليد الكهرباء بسرعة استجابةً للحركات الميكانيكية.
- مخرجات طاقة فورية عالية ما يجعلها مناسبة لتشغيل الأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء.
- صنعها ممكن من مواد متوافقة حيوياً، ما يجعلها مناسبة للاستخدام في التطبيقات الطبية، مثل تشغيل أجهزة تنظيم ضربات القلب.
- استخدامها كأجهزة استشعار نانوية لرصد السلوك البشري في الوقت الحقيقي ممكن، وهو ما يمكن أن يكون مفيداً للتطبيقات الأمنية.
القيود التي تواجه هذا النوع من المولدات
يواجه تطوير هذه التقنية بعض القيود مثل:
- انخفاض إنتاج الطاقة مقارنة بأجهزة حصاد الطاقة الأخرى، مثل الخلايا الشمسية والمولدات الكهربائية الحرارية. وهذا يحد من قدرتها على تشغيل الأجهزة ذات الاستهلاك العالي للطاقة.
- كفاءة محدودة ما يعني فقدان كمية كبيرة من مدخلات الطاقة الميكانيكية كحرارة، والحد من قدرتها على تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية.
- التأثيرات البيئية السلبية التي قد تحدث إذا لم تتم إدارتها بشكل صحيح.
- ضرورة تحسين قابليتها للارتداء والتهوية لجعلها مريحة أكثر ومرنة وقابلة الغسل.
- تحسين المتانة والموثوقية وزيادة قدرتها على تحمل الإجهاد الميكانيكي المتكرر دون فقدان قدرتها على حصاد الطاقة.
- دمجها في الأجهزة القابلة للارتداء بطريقة أكثر سلاسة وغير مزعجة، مع مراعاة تقليل الوزن.
اقرأ أيضاً: ما هي استخدامات تكنولوجيا النانو في الصناعة؟
الآثار البيئية المحتملة
يمكن اعتبار مولدات الطاقة النانوية القابلة للارتداء مصدراً مستداماً للطاقة للأجهزة القابلة للارتداء، ولكن لها بعض التأثيرات البيئية:
- قد تولد عملية التصنيع نفايات ومواد كيميائية يمكن أن تكون لها آثار بيئية سلبية إذا لم يتم التخلص منها بشكل صحيح.
- يمكن أن تسهم الطاقة اللازمة للتصنيع في انبعاثات الغازات الدفيئة والآثار البيئية الأخرى.
- عندما تتوقف عن العمل، من المحتمل أن يتم التخلص منها بطرق خاطئة لتشكل نفايات إلكترونية ضارة بالبيئة.
في المقابل، تمتلك مولدات الطاقة النانوية القابلة للارتداء بعض الفوائد البيئية مثل تقليل الحاجة إلى البطاريات ومصادر الطاقة غير المتجددة الأخرى في الأجهزة القابلة للارتداء، كما يمكن تصنيعها باستخدام مواد مستدامة ومعاد تدويرها، وبالتالي تقليل أثرها البيئي السلبي.
اقرأ أيضاً: هل يمكن لأكثر حواسيب أنابيب النانو تطوراً في العالم أن يحافظ على قانون مور؟
من المتوقع أن تشهد مولدات الطاقة النانوية القابلة للارتداء تطورات كبيرة في المستقبل، وأن يتوسع استخدامها في مجالات أخرى ويتحسن أدائها وكفاءتها.