انتقال بی سیم انرژی برق به ادوات متحرک

انتقال بی سیم انرژی برق به ادوات متحرک

 

دانشمندان توانسته‌‌اند سیستمی عملی و پربازده برای شارژ بی‌‌سیم تجهیزات متحرک طراحی کنند که احتمالا آینده‌‌ی صنعت خودروهای الکتریکی، ربات‌‌ها و پهپادها را متحول خواهد کرد.

امروزه تکنولوژی شارژ بی‌‌سیم ازجمله فناوری‌‌های نام‌‌آشنا در صنعت گوشی‌‌های هوشمند به‌‌شمار می‌‌آید؛ ولی آنچه که دانشمندان به‌دنبال آن هستند، سطح بالاتری از این فناوری با قابلیت تأمین انرژی در فواصل دورتر و برای اشیا در حال حرکتی نظیر خودروها است.

تصور کنید با خودروی الکتریکی خود در حال حرکت در جاده هستید و هم‌زمان باتری خودرویتان نیز در حال شارژشدن باشد یا ربات‌‌هایی را تصور کنید که هرگز هنگام جابجایی در محیط کارخانه‌‌ها با مشکل اتمام شارژ باتری‌های خود مواجه نشوند. این می‌‌تواند همان چشم‌‌اندازی باشد که درصورت موفقیت تیم فعلی از پژوهشگران دانشگاه استنفورد، دیگر رؤیایی دور از دسترس محسوب نخواهد شد.

البته فناوری یادشده پیش‌‌تر در سال ۲۰۱۷ نیز معرفی شده بود؛ اما این‌‌بار بازدهی و توان آن بالاتر رفته و البته کاربردی‌‌تر نیز شده است؛ بنابراین انتظار می‌‌رود دیر یا زود شاهد خروج این فناوری از فاز آزمایشگاهی  و ورود آن به مرحله‌ی تجاری‌سازی باشیم. سانهوی فن، از مهندسان برق دخیل در پروژه‌‌ی فعلی می‌‌گوید:

این به‌‌منزله‌‌ی گامی مهم درجهت توسعه‌‌ی یک سیستم عملی و پربازده برای شارژ بی‌‌سیم خودروها و ربات‌‌ها خواهد بود؛ حتی در مواقعی که این تجهیزات با سرعت بالایی در حال حرکت باشند. ما باید تنها توان سامانه را افزایش دهیم تا قادر به شارژ یک خودرو در حال حرکت شویم و من فکر نمی‌‌کنم مانع بزرگی در این مسیر وجود داشته باشد. برای شارژ ربات‌‌ها نیز این فناوری همین حالا قابل‌‌استفاده است.

فناوری انتقال بی‌‌سیم الکتریسیته براساس روش تولید میدان‌‌های مغناطیسی متناوب کار می‌‌کند. این میدان‌‌های نوسان‌‌کننده باعث نوسان الکترون‌‌ها در یک فرکانس خاص می‌‌شوند. مشکل اینجا بود که این فرکانس برای اشیا در حال حرکت، ثبات ندارند. برای همین است که گوشی‌‌های هوشمند امروزی برای شارژشدن نیاز به قرارگیری در یک جایگاه ثابت مخصوص (به‌‌عنوان پد شارژ) دارند.

پژوهشگران دانشگاه استفورد در سال ۲۰۱۷ موفق شده بودند باکمک یک آمپلی‌‌فایر و حلقه‌‌ی فیدبک مقاومتی، میزان فرکانس کاربری دستگاه را در حین حرکت دریافت‌‌کننده تنظیم کنند. در آن زمان، دستگاه تنها قادر به دریافت ۱۰ درصد از توان ارسالی ازسوی فرستنده بود. اما این‌‌بار آن‌‌ها موفق شده‌‌اند بازدهی سامانه را به ۹۲ درصد برسانند. چنین جهش چشمگیری در میزان بازدهی مرهون به‌‌کارگیری یک آمپلی‌‌فایر سوئیچینگ جدید است که به‌‌دلیل دقت بالا و پیچیدگی بسیار، برای طراحی آن بیش از سه سال زمان صرف شد.

ایده‌‌ی اصلی طراحی هنوز براساس فناوری ارائه‌‌شده در سال ۲۰۱۷ است. با حرکت گیرنده، فرکانس متغیر توان ارسالی از فرستنده تنظیم می‌‌شود. این سامانه در حال حاضر می‌‌تواند میزان ۱۰ وات توان را تا فاصله‌‌ای به‌‌اندازه‌‌ی ۶۵ سانتی‌‌متر ارسال کند؛ اما پژوهشگران می‌‌گویند دلیلی نمی‌‌بینند که نتوان ابعاد فعلی سیستم را تا مقیاس‌‌های بسیار بزرگ‌‌تر افزایش داد.

خودروهای برقی برای شارژ شدن نیاز به صدها کیلووات توان دارند و خوشبختانه سیستم نوظهور درصورت استفاده در سطح جاده‌‌ها از سرعت کافی برای فراهم‌‌کردن این میزان توان برخوردار است. تنها محدودیت پیش‌‌رو احتمالا سرعت باتری‌‌ها در جذب این میزان انرژی در سرعت‌‌های بالا خواهد بود.

یکی دیگر از کاربردهای احتمالی فناوری یادشده، قابلیت شارژ باتری ربات‌‌های مشغول در محیط کارخانه‌‌ها باکمک پدهای مخصوص نصب‌‌شده روی کف زمین است. همچنین این کاربری می‌‌تواند شامل حال پهپادهایی شود که با حرکت در نزدیکی سقف محیط‌‌های سربسته می‌‌توانند انرژی لازم را به‌‌صورت بی‌‌سیم از طریق شارژهای سقفی دریافت کنند. درصورت عملیاتی‌‌شدن این فناوری، احتمالا دیگر نیازی نخواهد بود که ربات‌‌ها یا پهپادها برای شارژ به ایستگاه‌‌های ثابت خود بازگردند و عملا امکان فعالیت بی‌‌وقفه‌‌ی این‌گونه تجهیزات فراهم خواهد شد.

اما در این میان موانعی نیز به‌‌چشم می‌‌خورند که شاید یکی از مهم‌‌ترین آن‌‌ها، هزینه‌‌ی بالای پیاده‌‌سازی آن در حال حاضر باشد. با این حال، فناوری یادشده (دست‌کم در مقیاس نمونه‌‌ی اولیه) همین حالا نیز دردسترس است. به‌‌گفته‌‌ی دانشمندان، فرکانس کاری دستگاه در محدوده‌‌ی کاملا بی‌‌خطر برای سلامت انسان قرار می‌‌گیرد.

ما اکنون به فناوری مهمی دست یافته‌‌ایم که می‌‌تواند امکان انتقال بی‌‌سیم انرژی برق آن‌هم برای تجهیزات در حال حرکت فراهم کند؛ موضوعی که شاید انقلابی واقعی در نحوه‌‌ی کاربری گجت‌‌ها و حتی حمل‌‌ونقل جهانی ایجاد کند. پژوهشگران در مقاله‌‌ی اخیر خود در Nature Electronics چنین اظهار داشته‌‌اند که:

به‌‌منظور بهره‌‌گیری کامل از مزایای فناوری انتقال بی‌‌سیم توان بسیار مهم است که یک طرح پایدار و پربازده برای ارسال توان به تجهیزات در حال حرکت ارائه کنیم.

ساخت موتور جت مبتنی‌بر پلاسما بدون سوخت فسیلی

ساخت موتور جت مبتنی‌بر پلاسما بدون سوخت فسیلی

 

پژوهشگران چینی نمونه‌ای آزمایشی از موتور جتی ساخته‌اند که از سوخت‌های فسیلی بی‌نیاز است و به‌طوربالقوه می‌تواند مسیر را برای تحقق مسافرت‌های هوایی با کربن خنثی هموار کند.

انسان به‌ویژه در عرصه‌ی حمل‌ونقل به سوخت‌های فسیلی به‌عنوان منبع اصلی انرژی وابسته است. با‌این‌حال، سوخت‌های فسیلی ناپایدار و خطرناک هستند و به‌عنوان بزرگ‌ترین منبع تولید گازهای گلخانه‌ای شناخته می‌شوند و مصرف بی‌رویه‌ی آن‌ها به بروز عوارض تنفسی و تخریب محیط‌زیست دراثر گرمایش زمین منجر شده است. به‌نقل از نیویورک تایمز، هواپیماهای تجاری مسئول انتشار ۲/۵ درصد از گازهای گلخانه‌ای هستند.

اکنون تیمی از پژوهشگران در مؤسسه‌‌ی علم و فناوری دانشگاه ووهان، نمونه‌ای آزمایشی از دستگاهی را رونمایی کرده‌اند که برای پیش‌رانش جت از پلاسمای هوای ریزموج استفاده می‌کند. آن‌ها طرز کار موتور ابداعی خود را در نشریه‌ی AIP Advances تشریح کرده‌اند. جائو تانگ، استادتمام دانشگاه ووهان و نویسنده‌ی پژوهش می‌گوید:

کمک به حل معضلات گرمایش جهانی ناشی از استفاده‌ی انسان از موتورهای احتراقی سوخت فسیلی برای نیرورسانی به ماشین‌آلات نظیر خودروها و هواپیماها، انگیزه‌ی ما از ابداع موتور جدید بود.

پلاسما درکنار جامد و مایع و گاز حالت چهارم ماده محسوب می‌شود و دربردارنده‌ی تراکمی از یون‌های باردار است. پلاسما به‌طورطبیعی در مکان‌هایی نظیر سطح خورشید و جوّ زمین هنگام صاعقه وجود دارد؛ اما انسان می‌تواند به‌طورمصنوعی نیز آن را تولید کند. پژوهشگران با قراردادن هوا زیر فشار زیاد و استفاده از ریزموج برای یونیزه‌کردن جریان هوای فشرده‌شده، جت پلاسما تولید کردند.

ساخت موتور جت مبتنی‌بر پلاسما بدون سوخت فسیلی

 

^{طرح‌واره‌ی نمونه‌ی اولیه‌ی دستگاه و تصاویر جت پلاسمای روشن در توان‌های مختلف ریزموج}

شیوه‌ی استفاده‌شده به‌دست دانشمندان چینی با تلاش‌های پیشین انجام‌شده برای ایجاد موتورهای جت پلاسما تفاوتی مهم دارد. دیگر پیشرانه‌های جت پلاسما نظیر کاوشگر فضایی داون ناسا از پلاسمای زنون استفاده می‌کنند. این نوع پلاسما نمی‌تواند بر اصطکاک جوّ زمین غلبه کند؛ از‌این‌رو، برای به‌کارگیری در حمل‌ونقل هوایی از قدرت کافی برخوردار نیست. درعوض، موتور جت پلاسمای پژوهشگران چینی، تنها با استفاده از هوا و الکتریستیه‌ی تزریقی، پلاسمای داغ و پرفشار تولید می‌کند.

بین ساخت نمونه‌ای آزمایشی به‌عنوان طرح مفهومی تا نصب موتور در هواپیمایی واقعی، فاصله‌ای بسیار طولانی وجود دارد؛ اما به‌نقل از پژوهشگران، نیروی تولیدشده‌ی دستگاه آزمایشی توانست توپ فولادی یک‌کیلوگرمی را برفراز لوله‌ای کوارتز با قطر ۲۴ میلی‌متر جابه‌جا کند. در این لوله، هوای پرفشار ازطریق عبور از محفظه‌ی یونیزه‌ساز ریزموج به جت پلاسما تبدیل می‌شود. به نسبت مقیاس، قدرت دستگاه پژوهشگران چینی را می‌توان با موتور جت هواپیمای تجاری مقایسه کرد.

با ساخت آرایه‌ای بزرگ از پیشرانه‌های پلاسما به‌همراه منابع ریزموج پرقدرت، مقیاس طرح آزمایشی را می‌توان به جت تمام‌اندازه افزایش داد. نویسندگان مقاله برای بهبود کارآمدی دستگاه و دستیابی بدین هدف تلاش می‌کنند. تانگ می‌گوید:

نتایج ما نشان داد چنین موتور جتی برپایه‌ی پلاسمای هوای ریزموج می‌تواند به‌طور بالقوه جایگزینی مطمئن برای موتور جت سوخت فسیلی مرسوم باشد.

 

رقابت کیمیاگران امروزی برای کشف عنصری جدید

دانشمندان امیدوار هستند بتوانند به کمک برخورددهنده‌های غول‌آسا، هشتمین سطر از جدول تناوبی را پر کنند و اتم‌های جدیدی را کشف کنند که تاکنون دیده نشده‌اند.

رقابت کیمیاگران امروزی برای کشف عنصری جدید

 

شاید تبدیل فلزهای اصلی مانند سرب به فلز طلا برای کیمیاگران قرون وسطا، تلاشی بیهوده بود اما به آن‌ها در درک اولیه‌ی جایگاه انسان در جهان کمک بسیاری کرد. بسیاری از جادوها و افسانه‌های آمیخته درباره‌ی کیمیاگری، به‌دنبال اهدافی مثل پرده‌برداری از راز طول عمر انسان بودند. در نگاه اول، چنین تلاشی در دنیای امروزی عجیب به‌نظر می‌رسد؛ اما فیزیک‌دان‌های کنونی هم به شیوه‌ی خود مجذوب کیمیاگری شده‌اند با این تفاوت که هدف آن‌ها، تبدیل عناصر به یکدیگر است.

آن‌ها کاری را انجام می‌دهند که برای کیمیاگران باستان ممکن نبود: ساخت اتم‌های جدید که به حوزه‌ی شناخته‌شده‌ها نفوذ می‌کنند و نکات زیادی را درباره‌ی رفتار ماده در جهان ارائه می‌دهند. کوسوکه موریتا، فیزیکدان هسته‌ای دانشگاه کیوشوی ژاپن یکی از کیمیاگران مدرن است. او سرپرست اولین تیم آسیایی بود که موفق به ساخت عنصر فوق سنگین ۱۱۳ در جدول تناوبی شد.

این بار دانشمندان به‌جای تلاش برای تبدیل فلزی بی‌ارزش به فلز ارزشمند با اشیایی افسانه‌ای مثل سنگ جادو فیلسوف، رویکرد دیگری دارند. هدف آن‌ها رسیدن به اتم‌های جدید از طریق برخورد اتم‌ها است. تاکنون ۱۱۸ عنصر در جدول تناوبی شناخته‌ شده‌اند. رقابت بر سر یافتن عنصر ۱۱۹ بالا گرفته است. در طبیعت روی زمین عنصری با بیش از ۹۲ پروتون در هسته‌ی اتم وجود ندارد. در جدول تناوبی عناصر، عدد اتمی برابر با تعداد پروتون‌ها است. با این حال می‌توان در محیط آزمایشگاه و از طریق ترکیب اتم‌ها، به اتم‌های بزرگ‌تری دست یافت.

رقابت کیمیاگران امروزی برای کشف عنصری جدید

^{تلاش بیهوده‌ی کیمیاگران قرون وسطا برای تبدیل عناصری مثل سرب، امروزه در کیمیاگری مدرن، شکل جدیدی به خود گرفته است}

 

در عمل، ترکیب عناصر سنگین با عدد اتمی بالاتر از عنصر ۱۱۳، کار دشواری است. وقتی دو اتم با یکدیگر برخورد می‌کنند، پروتون‌های باردار مثبت در هسته‌ی اتم‌ها، نیروی دافعه‌ی الکترواستاتیک را ایجاد می‌کنند. دانشمندان برای پیشگیری از جدا شدن اتم‌ها باید آن‌ها را با سرعت‌های بالایی برخورد دهند. معمولا در این فرایند از یک عنصر به‌عنوان هدف استفاده می‌شود و با پرتوی شدید یون‌های عنصر دوم که با سرعت هزاران کیلومتر بر ثانیه حرکت می‌کنند، بمباران می‌شود.

بزرگ‌ترین مشکل در ترکیب عناصر فوق سنگین، کوچک بودن هسته‌ی اتم است که عرض آن تنها به یک تریلیونیوم سانتی‌متر می‌رسد. در صورت برخورد دو هسته‌ی اتم، شانس ترکیب آن‌ها تنها یک در ۱۰۰ تریلیون است. حتی با فرض برخورد مستقیم و ترکیب دو هسته‌ی اتمی با یکدیگر، ثابت ماندن این وضعیت در مدت زمانی‌که برای کشف آن کافی باشد، چالشی دیگر است. ایزوتوپ‌های ۱۱۳ (انواع اتم‌هایی که به دلیل تعداد نوترون‌های موجود هسته‌ی اتمی، وزن اتمی متفاوتی دارند) در مرکز نیشتای RIKEN در ژاپن، تنها یک هزارم ثانیه دوام آوردند. بااین‌حال، موریتا مرد علم است و این سختی‌ها او را ناامید نکردند؛ زیرا با وجود چند پژوهش منطبق دراین‌زمینه همچنان امیدوار بود به نتیجه‌ی خوبی برسد.

رقابت کیمیاگران امروزی برای کشف عنصری جدید

^{کوسوکه موریتا در حین تلاش برای اثبات نیوهونیوم، اهمیتی به اندک پژوهش‌های مرتبط نمی‌داد}

از طرفی پروژه‌ی موریتا و همکاران او، فاصله‌ی زیادی با ماورا‌ء‌الطبیعه و جادو داشتند. موریتا می‌گوید: «عنصر ۱۱۳ زمانی ترکیب شد که سرعت پرتوی هسته‌ی عنصر روی را بالا بردیم و آن را با ده درصد سرعت نور، به عنصر هدف بیسموت زدیم.» عنصر ۱۱۳ در بازه‌ای ۹ ساله و پس از چهار تریلیون برخورد، سه مرتبه ساخته شد؛ اما همین سه مرتبه برای شناخت و کشف این عنصر کافی بود.

با وجود خاموشی موقتی ژاپن در زلزله‌ی بزرگ توهوکو در سال ۲۰۱۱، تیم موریتا در تاریخ ۱۲ اوت ۲۰۱۲ به مشاهده‌ی مهمی دست یافت که شبهات قبلی درباره‌ی وجود عنصر ۱۱۳ را رد می‌کرد. کیتلین کوک، فیزیک دان هسته‌ای دانشگاه ایالتی میشیگان می‌گوید:

تنها با مشاهده‌ی واپاشی عنصر می‌توانیم از کشف آن خبر دهیم. تمام این عناصر رادیواکتیو هستند و ذرات آلفا منتشر می‌کنند. انرژی واپاشی آلفا حکم اثر انگشت هسته‌ای مشخص را دارد که با آشکارساز، قابل اندازه‌گیری است. در فرایند ساخت عنصر جدید، واپاشی جدیدی را شاهد خواهیم بود. این واپاشی هسته‌هایی را تولید می‌کند که زنجیره‌ی واپاشی آن‌ها قبلا شناخته شده‌اند.

گروه موریتا پس از کشف عنصر، حق نام‌گذاری آن را هم داشتند. پس از مشورت، بالاخره اسم نیهونیوم با نماد Nh برای این عنصر انتخاب شد. به مناسبت این کشف جدید، خیابانی در شهر واکو براساس عنصر جدید نام‌گذاری شد. موریتا پس از کشف عنصر ۱۱۳  در خبرنامه‌ی RIKEN گفت:

از دیدگاه شیمی، این کشف اهمیت زیادی دارد زیرا یکی از جاهای خالی را در جدول تناوبی پر می‌کنیم و ممکن است تنها ۱۷۳ فضای خالی دیگر در این جدول وجود داشته باشد.

طبق محاسبات دانشمندان، قبل از واپاشی هسته‌ی اتم امکان تولید حداکثر ۱۷۲ الی ۱۷۳ عنصر وجود دارد. اگرچه به اعتقاد برخی، جدول تناوبی بیش از این هم قابل گسترش است.

رقابت کیمیاگران امروزی برای کشف عنصری جدید

^{گروه‌های پژوهشی امیدوار هستند بتوانند برای اولین‌بار عنصر ۱۱۹ را بسازند و جدول تناوبی را گسترش دهند}

موریتا می‌گوید:

تاکنون کمتر از ۱۲۰ عنصر کشف شده‌اند. کشف عناصر، اهمیت نمادین دارند. تمام عناصر گذشته در غرب کشف شده‌اند و حالا عنصری داریم که در آسیا کشف شده است.

موریتا و تیم او بر سر کشف عنصر جدید دیگری به رقابت می‌پردازند که آغازگر سطر هشتم جدول تناوبی خواهد بود. عنصر ۱۱۹، موقتا اونونیوم نام‌گذاری شده است و هنوز عنصری فرضی است که احتمالا هفتمین فلز قلیایی با خواصی مشابه دیگر عناصر فرار این گروه مثل لیتیم، سدیم، پتاسیم و سزیم خواهد بود.

ترکیب عنصر و کشف آن کار ساده‌ای نیست. به‌گفته‌ی جیمز روبرتو، رئیس آزمایشگاه علم و فناوری در آزمایشگاه ملی اوک ریج تنسی: «برای دستیابی به عنصر ۱۱۹ و برخورد پرتوهای وانادیوم به هدف کوریوم، ماه‌ها زمان لازم است.» حتی پس از این تلاش‌ها ممکن است، عنصر تولیدی ۱۱۹ بسیار کوچک و دارای عمری بسیار کوتاه باشد. یکی از چالش‌های دیگر، تضمین دوام کوریم در طول بمباران است.

ممکن است عنصر ۱۱۹ عمر بسیار کوتاهی داشته باشد

تیم ژاپنی با رقابت شدید از سوی دیگر گروه‌های اطراف دنیا از جمله تیم مؤسسه‌ی مشترک پژوهش‌های هسته‌ای در دوبنای روسیه روبه رو است. سرپرست این تیم، فیزیکدانی به‌نام یوری اوگانسیان است و عنصر اوگانسن (سنگین‌ترین عنصر جدول تناوبی) با الهام از او نام‌گذاری شده است. او برای اولین‌بار در ترکیب عنصر اوگانسن در سال ۲۰۰۲ نقش داشت. تیم روسی مسیر دشواری را طی کرده است و تاکنون موفق به کشف چهار عنصر سنگین ۱۱۴ تا ۱۱۸ در جدول تناوبی شده است.

هر دو تیم مذکور از واکنش همجوشی داغ برای یافتن عنصر ۱۱۹ استفاده می‌کنند، تیم اوگانسن از همین روش برای کشف عناصر ۱۱۴ تا ۱۱۸ استفاده کردند. در این روش از دماهای بالا برای همجوشی هسته‌ها استفاده می‌شود. روس‌ها می‌خواهند از پرتوی تیتانیوم برای بمباران هدف برکلیوم استفاده کنند درحالی‌که تیم ژاپنی قصد دارد از وانادیم برای بمباران کوریم استفاده کند.

رقابت کیمیاگران امروزی برای کشف عنصری جدید

^{پرتودهی به هدف کوریوم با پرتوی وانادیوم و تولید عنصر ۱۱۹، به ماه‌ها زمان نیاز دارد، نام عنصر کوریم، برگرفته از نام ماری کوری و همسر او است.}

هیرومیتسو هابا، یکی از رهبران تیم گروه پژوهشی موریتا در RIKEN می‌گوید:

 احتمال واکنش تیتانیوم، برکلیوم بیشتر از واکنش وانادیوم، کوریم است بااین‌حال برکلیوم هدف بسیار کمیابی است و دسترسی پیوسته به این ماده برای ما دشوار است زیرا نیمه عمر ایزوتوپ برکلیوم کمتر از یک سال است. ازآنجاکه آزمایش ما چند سال به طول می‌انجامد، هدفی مثل کوریم را ترجیح می‌دهیم که عمر طولانی‌تری دارد.

صرف‌نظر از اینکه گروه‌ها از چه عناصری به‌عنوان هدف استفاده کنند، هر دو عنصر هدف از رآکتور هسته‌ای آزمایشگاه ملی اوک ریج به دست می‌آیند. تیم موریتا برای دستیابی به عنصر ۱۱۹، از دو نوع شتاب‌دهنده‌ی ذرات استفاده خواهد کرد. کار با پرتوی سیکلوترون آغاز می‌شود که ذرات را دور یک حلقه‌ی بسته پرتاب می‌کند، سپس شتاب‌دهنده‌ی خطی فعال می‌شود. هیدتو اینیو، رئیس مرکز علوم شتاب‌دهنده‌ی نیشینای RIKEN، می‌گوید:

سیکلوترون حلقه‌ای بسیار تطبیق‌پذیر است و بسیاری از کاربران دیگر مؤسسه به‌دنبال استفاده از آن هستند. با استفاده از شتاب‌دهنده‌ی خطی جدید به نتایج خوبی خواهیم رسید؛ و مهم‌تر از هرچیز می‌توانیم دو جستجوی موازی را با استفاده از دو شتاب‌دهنده‌ اجرا کنیم.»

تیم پژوهشی ژاپنی آزمایش پرتوی اول را در ماه فوریه انجام خواهند داد. آن‌ها می‌گویند: «آزمایش دوم در سال مالی ۲۰۱۹ ژاپن اجرا خواهد شد.»

رقابت کیمیاگران امروزی برای کشف عنصری جدید

^{دانشمندان روسی تاکنون چهار عنصر سنگین در جدول تناوبی را کشف کرده‌اند}

در صورت موفقیت پژوهشگران، عصر جدیدی در علوم اتمی آغاز خواهد شد. فیزیک‌دان‌ها معتقدند سطر هشتم جدول تناوبی جایی برای جستجوی جزیره‌ی ثبات خواهد بود. سطر هشتم منبع ایزوتوپ‌ عناصر فوق سنگین با عددهای جادویی خواهد بود که به‌شدت پایدار هستند و نیمه عمر آن‌ها می‌تواند به صدها سال برسد. درنتیجه باتوجه به خصوصیت‌ّهای این عناصر، زمینه‌ی کاربردهای جدید آن‌ها فراهم خواهد شد.

کاربردهای بالقوه‌ی کشف عناصر جدید در نگاه اول واضح نیست؛ اما آن‌ها در آینده به‌شدت سودمند خواهند بود. برای مثال می‌توان به کشف عنصر گادولینیوم در ۱۸۸۰ و تکتونیوم در ۱۹۳۷ اشاره کرد. این دو عنصر، فلزهایی هستند که در اسکن‌های پزشکی از جمله تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI) و تومورگرافی (CT) کاربرد دارند و به تصویربرداری از بافت‌ها کمک می‌کنند. در صورتی که عناصر جدید موریتا و همکاران او، در آینده سودمند واقع شوند می‌توانند هدف کیمیاگران قدیمی را محقق کنند با این تفاوت که ارزش آن‌ها از طلا هم بیشتر خواهد بود.

موفقیت دانشمندان در تولید برق از رطوبت هوا

پژوهشگران موفق شده‌اند دستگاهی بسازند که می‌تواند ۲۰ ساعت بی‌وقفه کار و برق تولید کند. این دستگاه در فضاهای داخلی و خارجی کاربردی است.

موفقیت دانشمندان در تولید برق از رطوبت هوا

روش‌های بسیار متنوعی وجود دارد که می‌توانیم به‌طور بالقوه تمام انرژی موردنیاز برای حسگرهای پزشکی کوچک یا دیگر دستگاه‌های دارای حداقل نیاز انرژی را تأمین کنیم.

بااین‌حال، معمولا فاصله‌ی زیادی بین چنین مواردی و چیزهای دیگری وجود دارد؛ مانند ژاکتی که وقتی راه می‌روید، گوشی تلفن شما را شارژ می‌کند. دستگاه‌های تولیدکننده‌ی برق یا قابلیت افزایش مقیاس ندارند یا کارآیی آن‌ها چنان کم است که برای شارژ تلفن نیز به زمان بسیار زیادی نیاز است. به‌تازگی مجله‌ی Nature مقاله‌ای منتشر و در آن دستگاهی را توصیف کرده است که به‌گفته‌ی نویسندگان، از یک طرف می‌تواند انرژی دستگاه‌های کوچکی مانند حسگرهای پزشکی را تأمین کند و از طرف دیگر مقیاس‌پذیر است؛ چنانکه با پنل‌های خورشیدی می‌تواند رقابت کند.

تمام آنچه دستگاه برای تولید انرژی به آن نیاز دارد، رطوبت محیط است. جالب این است که ظرفیت توسعه‌ی این دستگاه را دانشجویی به‌طور تصادفی کشف کرد که در حال کار روی موضوع کاملا متفاوتی بود. البته شمار زیادی از کشفیات علمی هنگامی رخ داده‌اند که دانشمندان مشغول کار روی موضوع دیگری بوده‌اند. تابش زمینه‌ی کیهانی (CMB) را افرادی کشف کردند که در حال کار روی گیرنده‌ی مایکروویو بودند؛ ولی با منبع آزاردهنده‌ای از نویز روبه‌رو شده بودند که از بین نمی‌رفت.

درباره‌ی کار اخیر، دانشجویی به‌نام شیائومنگ لیو مشغول کار روی پروتئین‌های رشته‌مانندی بود که باکتری آن‌ را ساخته بود. در بسیاری از گونه‌ها، این الیاف ریزی که با میکروسکوپ معمولی هم دیده نمی‌شوند، رساناهای مناسبی هستند و پژوهشگران در آزمایشگاه‌های مختلف در حال مطالعه‌ی ویژگی‌های مذکور و نیز باکتری‌هایی هستند که آن‌ها را تولید می‌کنند.

لیو مجموعه‌ای از پروتئین‌های باکتریایی را بین صفحات فلزی قرار داده بود. او در حال مطالعه‌ی ویژگی‌های این پروتئین‌ها بود؛ اما پروتئین‌ها ولتاژی تولید می‌کردند که تجهیزات او آن را ثبت کرد. احتمالا این ولتاژ موجب مزاحمت در روند کارش می‌شد و او می‌خواست از دست آن رها شود و در بیشتر موارد موفق نمی‌شد.

تنها چیزی که به‌نظر می‌رسید ولتاژ را از بین ببرد، حذف رطوبت از محیط بود؛ بنابراین، لیو و دیگر اعضای آزمایشگاه توجه خود را از این مسئله که چگونه ولتاژ را حذف کنند، به این مسئله تغییر دادند که چگونه رطوبت ولتاژ تولید می‌کند. در پایان، آن‌ها دستگاهی ساختند که صفحه‌ی رسانایی بود که در الیاف پروتئینی ریز حاصل از باکتری پوشانده شده بود. در بالای الیاف، نوارهای نازکی از الکترود قرار دادند. فاصله‌ی بین نوارها موجب می‌شد هوا به الیاف برسد و رطوبت نیز راه خود را به توری پیدا کند.

در حالت ابتدایی، دستگاه می‌تواند اختلاف ظرفیتی برابر یک ولت با چگالی توان حدود ۴۰ میلی‌وات‌ بر‌ سانتی‌مترمربع ایجاد کند. حتی وقتی اندازه‌ی دستگاه تا حد یک میلی‌متر کاهش پیدا می‌کند، می‌تواند نیم‌ولت برق تولید کند. دستگاه مذکور حتی وقتی سطح رطوبت محیط به حد ۲۰ درصد نیز می‌رسد (مقدار رطوبتی که معمولا فقط در بیابان دیده می‌شود)، کار می‌کند. ولتاژ حاصل زمانی در حداکثر مقدار خود بود که لایه‌ی الیاف پروتئینی ضخامت ۱۴ میکرومتر داشت؛ بنابراین، دستگاه به مقدار زیادی پروتئین نیاز ندارد.

دستگاه می‌تواند حدود ۲۰ ساعت به‌طور مستقیم برق تولید کند؛ البته در جریان این مدت، ولتاژ تا حدود ۳۰ درصد افت پیدا می‌کند. اگر تولید جریان پنج ساعت متوقف شود، ولتاژ کاملا بازیابی می‌شود؛ با‌این‌حال، مشخص نیست دستگاه بدون تخریب دائمی عملکرد چندبار بازیافت‌شدنی است. پژوهشگران دقیقا به این موضعو اشاره نمی‌کنند و می‌گویند «به‌طور مکرر».

موفقیت دانشمندان در تولید برق از رطوبت هوا

 

حتما شما هم می‌خواهید بدانید نحوه‌ی عملکرد دستگاه چگونه است. به‌گفته‌ی پژوهشگران، عملکرد دستگاه به وجود شیب رطوبتی در لایه‌ی پروتئینی نیاز دارد. براساس اندازه‌گیری‌ها، میزان اشباع در سطح شبکه ۲۷ درصد و میزان اشباع در پایه‌ی شبکه حدود ۳ درصد است. تعدادی از مولکول‌های آب جذب‌شده یونیزه می‌شوند و بقیه نیز به یونیزه‌شدن برخی از زیرگروه‌های شیمیایی پروتئین‌ها کمک و پروتون‌ها را در بسته‌های کوچکی از مایع آزاد می‌کنند.

به‌عقیده‌ی پژوهشگران، همین یون‌ها هستند که قابلیت انتقال بارهای الکتریکی را ازطریق الکترودها فراهم می‌آورند. پژوهشگران برای تأیید این موضوع برخی پلیمرهای مرتبط را آزمایش کردند و دریافتند وجود گروه‌های شیمیایی که به‌راحتی یونیزه می‌شوند، با عملکرد الکتریکی مرتبط است. این امر تا حدی معقول است؛ چراکه شیب آب موجود در دستگاه به‌ این مفهوم است که در یک سمت از آن درمقایسه‌با سمت دیگر، مواد یونیزه بیشتری وجود دارد.

همچنین، می‌توانید ببینید چگونه وقتی به دستگاه فرصت داده شود تا مجددا به حالت تعادل درآید، یون‌های استفاده‌شده هنگام فعالیت دستگاه برای تولید بار الکتریکی بازیابی خواهند شد.

البته ازآنجاکه به‌تدریج شیب رطوبتی در دستگاه از بین می‌رود، مشخص نیست دستگاه مذکور چگونه می‌تواند عملکرد خود را به‌طور نامحدود حفظ کند. بااین‌حال، پژوهشگران درباره‌ی چشم‌انداز آینده‌ی چنین دستگاهی امیدوار هستند. با‌توجه‌به اینکه تمام آنچه دستگاه به آن نیاز دارد، هوا است، می‌توان تعداد زیادی از آن را به‌طور انبوه در هر ساختار تعبیه کرد.

طبق محاسبات پژوهشگران، اگر مکعبی با وجه یک‌ متر داشته باشید که در آن فضای مساوی به جریان هوا و دستگاه‌های برداشت رطوبت اختصاص دهید، دستگاه می‌تواند یک کیلووات انرژی تولید کند. این مقدار با پنل‌های خورشیدی مدرن مقایسه‌شدنی است که به‌ازای هر مترمربع حدود ۲۰۰ وات انرژی تولید می‌کنند و آن‌ها را نمی‌توان به‌صورت انبوه روی‌هم قرار داد. البته نمی‌توان انتظار داشت جریان هوای زیادی در چنین دستگاهی وجود داشته باشد که اجزای آن بسیار نزدیک به‌هم قرار دارند؛ اما می‌توان برای بهبود جریان هوا قدری از چگالی توان را قربانی کرد. این دستگاه را می‌نوان هرجایی درمعرض هوای مرطوب قرار داد و هنگام شب نیز کار می‌کند.

یکی از پرسش‌های بی‌پاسخ درباره‌ی دستگاه این است که چقدر می‌تواند از اشباع‌شدن از آب اجتناب کند. مسئله‌ی دیگر آن است که پروتئین‌ها در محیط طی زمان تجزیه می‌شوند و مشخص نیست عملکرد این دستگاه چقدر وابسته‌ به حفظ ساختار الیاف است. ماده‌ی استفاده‌شده در این دستگاه نیز با برش از سطح باکتری در محیط کشت به‌دست می‌آید. این روش برای تولید انبوه اقتصادی نیست.

پلیمرهای جایگزین با ترکیب شیمیایی مشابه ممکن است همین عملکرد را داشته باشند؛ اما هنوز آزمایش نشده‌اند. سرانجام، مدل پژوهشگران از این دستگاه نشان می‌دهد الیاف پروتئینی کارآمدترین گزینه برای ساخت این نوع دستگاه‌ها نیستند. طبق محاسبه‌ی پژوهشگران، دستگاه آن‌ها به‌اندازه‌ی ۴ درصد از حداکثر توان تئوریکش تولید دارد؛ بنابراین، پرسش بی‌پاسخ بزرگ دیگر آن است که چقدر می‌توانیم عملکرد دستگاه را بهبود بخشیم.