تصور کنید برگ‌هایی که نه‌تنها نور خورشید را جذب می‌کنند، بلکه توانایی تولید برق و حتی تجزیه آب به هیدروژن و اکسیژن را دارند! این دستاورد شگفت‌انگیز، حاصل تلاش پژوهشگران چینی است که موفق به ساخت برگ‌های مصنوعی با قابلیت دنبال‌کردن حرکت خورشید شده‌اند. این فناوری نوآورانه می‌تواند آینده تولید سوخت و انرژی را متحول کند.
سلول‌های خورشیدی یکی از راهکارهای مرسوم این روزها برای تولید انرژی الکتریکی با استفاده از نور خورشید هستند. اما عمده مشکل با آنها، راندمان یا کارایی پایین است که به زحمت به 40 درصد می‌رسد. در عین حال فضای گسترده برای تولید برق را نیز باید به معایب این سلول‌ها اضافه کرد.
از سوی دیگر هیدروژن به عنوان یک منبع عالی برای ساخت موتورهای هیدروژنی و بسیاری از کاربردهای بر پایه انرژی‌های نو شناخته می‌شود ولی فرایند تولید آن بسیار دشوار و هزینه‌بر است.
بنابر گزارش Interesting Engineering، به تازگی پژوهشگران چینی موفق به اختراع برگ مصنوعی شده‌اند که همه موارد فوق را با هم در نظر گرفته و در عین حال که با راندمانی بسیار بیشتر از سلول‌های خورشیدی برق تولید می‌کند، قادر است هم در آب کار کرده، هم روی کف دست شما و هم هیدروژن و اکسیژن را با هم تولید کند!
ترکیب هوشمندانه فناوری و طبیعت در برگ مصنوعی
برگ مصنوعی جدید با استفاده از الکترودهای انعطاف‌پذیر خورشیدی و لایه‌ای از ژل محافظتی طراحی شده است. همچنین، ساختار پشتیبانی این برگ‌ها از نانو لوله‌های کربنی درون یک پلیمر حساس به دما تشکیل شده که به آنها امکان واکنش به نور خورشید را می‌دهد.
زمانی که برگ مصنوعی در معرض تابش نور خورشید قرار می‌گیرد، نانو لوله‌های کربنی به‌طور موضعی گرم می‌شوند و باعث انقباض پلیمر می‌گردند. در مقابل، بخش‌هایی که نور مستقیم دریافت نمی‌کنند، به حالت منبسط باقی می‌مانند. این تفاوت در انقباض و انبساط، باعث می‌شود برگ به سمت منبع نور خم شود. کل این عمل و شرایط بدون نیاز به موتور یا تجهیزات مکانیکی صورت گرفته و این برگ زیبا خودش انرژی تغییر وضعیت خود را فراهم می‌کند. پژوهشگران در نتایج تحقیق خود به این موضوع نیز اشاره کرده‌اند که این فرآیند شباهت زیادی به چگونگی دنبال‌کردن خورشید توسط گیاهانی مثل Micranthemum glomeratum (یک نوع گیاه آکواریومی شبیه خرفه آبی یا آزولا) دارد.
تولید سوخت به روش طبیعی
در مقاله‌ای که در خصوص همین نوآوری در مجله Advanced Functional Materials منتشر شده، پژوهشگران نشان داده‌اند که این برگ مصنوعی نسبت به سیستم‌های سنتی و فعلی تولید انرژی پاک، بهبود چشم‌گیری دارد. برای مثال:
- در زاویه تابش ۴۵ درجه، بازده تجزیه آب در این برگ ۴۷ درصد بیشتر از نمونه‌های ثابت است.
- زمانی که نور با زاویه ۹۰ درجه به برگ می‌تابد، سیستم دنبال‌کننده نور توانسته ۸۶۶ درصد سوخت هیدروژن و اکسیژن بیشتری تولید کند.
برای ساخت این برگ‌ها، از تکنیک‌های نوین رسوب‌دهی مواد فعال نوری روی پلاستیک سبک (به‌جای شیشه) استفاده شده است. علاوه بر این، پژوهشگران از پوشش‌های هیدروژلی برای شبیه‌سازی سیتوپلاسم سلول‌های گیاهی بهره برده‌اند. این پوشش‌ها قابلیت نفوذپذیری دارند و به آب اجازه ورود داده و گازهای زائد را از سیستم خارج می‌کنند.
در طول آزمایش‌های مؤید عملکرد این برگ مصنوعی، فتوآند (photoanode) برگ توانسته پس از ۶۵ ساعت کار مداوم، ۷۳ درصد از عملکرد خود را حفظ کند. جالب اینکه این برگ‌ها زیر آب نیز عملکرد فوق‌العاده‌ای دارند، محیطی که پنل‌های خورشیدی سنتی معمولاً در آن دچار مشکل می‌شوند.
چالش‌ها و آینده پیش‌روی برگ های مصنوعی در تولید انرژی
اگرچه نتایج بسیار امیدوارکننده هستند، اما تیم پژوهشی به برخی چالش‌های اساسی نیز اشاره کرده است. از جمله این چالش‌ها می‌توانیم به موارد زیر اشاره کنیم:
- عناصر ساختاری نانو لوله‌ای پس از چندین چرخه دنبال‌کردن نور، دچار کاهش کارایی می‌شوند.
- این کاهش عملکرد به‌طور مستقیم بر زمان پاسخ‌دهی به نور تأثیر می‌گذارد.
- جریان‌های باد و آب می‌توانند در کاربردهای واقعی، حرکت و بازدهی سیستم را کاهش دهند.
با این وجود، این نوآوری نشان می‌دهد که الگو گرفتن از طبیعت (زیست تقلید) می‌تواند به رفع موانع فنی همیشگی کمک کند. این پیشرفت می‌تواند گامی بزرگ در جهت بهبود فوتوسنتز مصنوعی باشد و مشکل اصلی وابستگی زاویه‌ای در جذب انرژی خورشیدی را برطرف کند.
در صورتی که این فناوری به مقیاس صنعتی برسد و مقاوم‌تر شود، می‌تواند آغازگر عصر جدیدی در تولید انرژی خورشیدی و سوخت‌های زیستی باشد. این سیستم‌ها بدون نیاز به تجهیزات مکانیکی دنبال‌کننده نور، به‌طور خودکار کار می‌کنند و می‌توانند تولید انرژی را به‌صرفه‌تر و کارآمدتر کنند.
source