پژوهشگران با بهره‌گیری از «فلز سیاه» توان خورشیدی را به‌طور چشمگیری افزایش دادند

یک دستاورد مهندسی که شامل لیزرها، فلز سیاه و آلومینیوم است، می‌تواند تولید انرژی خورشیدی را تا ۱۵ برابر بیشتر از سطح کنونی ارتقا دهد.

کد خبر: ۸۸۰۴۷۵

تاریخ: ۲۶ مرداد ۱۴۰۴ - ۱۶:۱۹

به گزارش انتخاب و به نقل از gizmodo؛ چند سال پیش، یک متخصص اپتیک روشی را ابداع کرد که می‌توانست فلزات براق را به‌طور کامل سیاه کند. این نوآوری منجر به ساخت ماده‌ای شد که به شکلی فوق‌العاده نور خورشید را جذب می‌کرد—چنان‌که ژنراتورهایی که با آن ساخته شدند، توانستند ۱۵ برابر بیشتر از دستگاه‌های مشابه برق تولید کنند.

این گروه تحقیقاتی از «فلز سیاه» برای توسعه‌ی طرحی تازه از ژنراتورهای خورشیدی-ترموالکتریک یا همان STEG استفاده کردند. این دستگاه‌ها قادرند انواع مختلفی از انرژی حرارتی را به برق تبدیل کنند. با این حال، محدودیت‌های فناورانه توان آن‌ها را به شدت کاهش داده بود، به‌گونه‌ای که تنها حدود ۱ درصد از نور خورشید را به برق تبدیل می‌کردند؛ رقمی که در مقایسه با پنل‌های خورشیدی خانگی (حدود ۲۰ درصد) بسیار ناچیز است. طراحی جدید که در تاریخ ۱۲ اوت در نشریه‌ی Light: Science & Applications منتشر شد، این مانع را برطرف کرده است. دلیل آن هم امکان کنترل بسیار دقیق بر هر لایه از دستگاه است، لایه‌هایی که برخی از آن‌ها از فلز سیاه ساخته شدند.

راز کارکرد STEGها

به‌طور معمول، ژنراتورهای ترموالکتریک دو سطح «داغ» و «سرد» دارند که میان آن‌ها مواد نیمه‌رسانا قرار گرفته است. اختلاف دما میان این دو سطح، از طریق پدیده‌ای به نام اثر سی‌بِک (Seebeck effect)، برق تولید می‌کند.

برای دهه‌ها، تمرکز دانشمندان روی بهبود مواد نیمه‌رسانا بود تا بتوانند اختلاف دمایی را بهتر کنترل کنند. اما به گفته‌ی «چون‌لی گُو» (Chunlei Guo)، نویسنده‌ی ارشد مطالعه و دانشمند علوم مواد در دانشگاه روچستر، این رویکرد چندان موفق نبود. به همین دلیل، او—که خالق فناوری فلز سیاه است—به جای آن بر روی طراحی سطوح داغ و سرد تمرکز کرد.

سه نوآوری لیزری

طراحی گو بر سه راهبرد ساخت استوار بود که به شدت به فناوری لیزر متکی بودند:

1. تیم او ابتدا فلز تنگستن را با پالس‌های لیزری فوق‌سریع در مقیاس فمتوثانیه (یک کوادریلیونیم ثانیه) تاباندند تا آن را به «فلز سیاه» تبدیل کنند. این کار باعث شد ماده بهینه‌سازی شود تا نور خورشید را به حداکثر جذب کرده و از هدررفت گرما جلوگیری کند.

2. سپس آن‌ها روی تنگستنِ تغییرشکل‌یافته یک لایه پلاستیکی قرار دادند تا نوعی «مینی گلخانه» ایجاد شود که ظرفیت سطح داغ برای جذب و نگهداری حرارت را افزایش دهد.

3. در نهایت، برای ایجاد تعادل، دوباره از لیزرهای فمتوثانیه استفاده کردند تا یک سینک حرارتی ویژه از جنس آلومینیوم بسازند. این نانوساختارها عملکرد خنک‌کنندگی سطح سرد را دو برابر کردند.

آزمایش و کاربردها

برای آزمودن طراحی خود، پژوهشگران آزمایشی ساده انجام دادند: آن‌ها با این سیستم یک چراغ LED را روشن کردند. همان‌طور که انتظار می‌رفت، طراحی جدید توانست LED را با حداکثر روشنایی در سطوح نوری بسیار کمتر از حالت عادی تغذیه کند.

این دستگاه همچنین فشرده و نسبتاً سبک‌وزن است؛ به همین دلیل می‌تواند برای تأمین انرژی ابزارهای میکروالکترونیکی مانند حسگرهای خودکار برای پایش وضعیت هوا، کاربردهای کشاورزی و ابزارهای هوشمند مورد استفاده قرار گیرد.

نتیجه‌گیری

به شوخی می‌توان گفت که برای طرفداران موسیقی متال و انرژی خورشیدی این دستاورد غافلگیرکننده نیست:

وقتی صحبت از انرژی پاک می‌شود، «فلز سیاه» واقعاً پرقدرت عمل می‌کند.