تولید برق از گرمای بدن با اثر نِرنست

به گزارش کارگروه فناوری اطلاعات سایبربان؛ برپایه قوانین ترمودینامیک نمی‌توانیم چیزی را از هیچ به دست آورد. هرگاه فردی اقدامی انجام می‌دهد، بدنش گرما تولید می‌کند و پژوهشگران بسیاری از سال‌ها قبل در تلاش بودند تا بخشی از این گرمای هدر رفته را بازیابی کنند. به تازگی گروهی از محققان رویکرد جدیدی را برای این کار به وجود آورده‌اند که ممکن است در آینده در ابزارهای کوچک مانند حسگرهای کنترل از راه دور و فناوری‌های پوشیدنی به کار گرفته شوند.

پژوهشگران دانشگاه توکیو اعلام کردند نوعی ژنراتور ترموالکترونیک آهنی نازک به وجود آورده‌اند که می‌تواند گرما را به برق تبدیل کرده و ابزارهایی که سطح انرژی کمی نیاز دارند را شارژ کند. این ژنراتور با ترکیب آهن، آلومینیوم و گالیوم به وجود آمده است. انتخاب این مواد به سه دلیل سمی نبودن، شکل‌پذیری ساده و فراوانی آن‌ها انجام گرفت؛ زیرا هزینه‌های نهایی را نیز به شدت کاهش می‌دهند.

ساتارو ناکاتسوجی (Satoru Nakatsuji)، محقق ارشد طرح مورد بحث گفت:

تمام تحقیقاتی که تاکنون روی ژنراتور ترموالکتریک انجام گرفته است روی اثر سیبک (Seebeck effect) محدود متمرکز بودند. در مقابل ما روی پدیده‌ای کمتر شناخته شده به نام اثر نرنست (Nernst effect) تمرکز کردیم.

اثر سیبک به پدیده‌ای گفته می‌شود که در آن اختلاف دما میان دو رسانا نیمه رسانه الکتریکی مختلف، بین دو مواد اختلاف ولتاژ به وجود می‌آورد. در مقابل اثر نرنست یک ولتاژ عمود برجهت شیب دما در سرتاسر سطح ماده ایجاد می‌کند. در صورت به کارگیری از مواد مناسب می‌توان از این پدیده برای طراحی ساده‌تر ژنراتورهای حرارتی با بازدهی بهینه‌تر استفاده کرد. این مسئله امکان توسعه ژنراتورهای ترموالکتریک را برای ابزارهای پوشیدنی با طرح‌های مختلف فراهم می‌سازد.

در هر 2 پدیده یاد شده ژنراتور میان دو بدن سرد و گرم قرار می‌گیرد؛ اما یک تفاوت اساسی وجود دارد. برای مثال می‌توان ژنراتور به کار رفته روی پوست بدن را تصور کرد، زمانی که بدن گرما منتشر می‌کند، جریان الکتریکی به وجود می‌آید. در حالت سیبک این جریان در همان جهت انتشار گرما به وجود می‌آید؛ بنابراین ابزارها برای استفاده از آن باید از ضخامت خاصی برخوردار باشند. در مقابل اگر از اثر نرست استفاده شود جریانی عمود بر گرما به وجود آمده و به موازات پوست حرکت می‌کند. این ویژگی امکان ساخت ژنراتورهای بسیار نازک‌تری را فراهم می‌آورد.

محققان شرح دادند در تحقیقات گذشته برای توسعه ژنراتورهای ترموالکتریک از مواد سمی و گران قیمت استفاده شده بود، به همین دلیل مورد توجه قرار نمی‌گرفتند.

آکیتو ساکای (Akito Sakai)، رهبر تحقیقات مذکور توضیح داد:

ما به واسطه فرایندی که از آن با نام ناخالص سازی (doping) یاد می‌شود ابزار خود را با ترکیبی از 75 درصد آهن، 25 درصد آلومینیوم یا گالیوم تولید کردیم. این روش کاربرد اثر نرنست را به میزان قابل‌توجهی افزایش داد. ما شاهد بهبود 20 برابری ولتاژ در مقایسه با نمونه‌های ناخالص سازی نشده بودیم.

طراحی مواد جدید برای بهره‌مندی از مزایای آن‌ها یک فرآیند آزمایشگاهی بسیار دشوار و با آزمون‌وخطا همراه است. به همین منظور آزمایش‌ها با مواد گران‌قیمت به دفعات تکرار شده و هزینه‌ها را افزایش می‌دهند؛ اما پژوهشگران دانشگاه توکیو در تحقیقات خود از شبیه‌سازهای قدرتمند رایانه‌ای بهره گرفته‌اند که امکان شناسایی بهتر مواد را فراهم می‌آورد.