به گزارش خبرگزاری آنا به نقل از ادونس ساینس نیوز، آینده‌ای را تصور کنید که در آن برق خانه‌ها و جوامع تنها با استفاده از پسماند و ضایعات مواد غذایی تامین می‌شود و انرژی پاک و مقرون به صرفه را به مناطقی می‌رسد که اغلب توسط فناوری‌های سبز بزرگتر مانند مزارع خورشیدی یا بادی در مقیاس بزرگ، نادیده گرفته می‌شوند.

اکنون مهندسان مؤسسه فناوری «گیواهاتی» «Guwahati» در هند با دستگاهی پیشگامانه که با استفاده از مواد ساده و روزمره برق تولید می‌کند، به سمت این چشم انداز حرکت می‌کنند.

آنها با استفاده از قدرت یون‌هایی که در یک غشاء حرکت می‌کنند، یک دستگاه اثبات کننده مفهوم ساخته اند که می‌تواند با دانش تخصصی کمی ساخته شود. مواد اصلی مورد نیاز برای این دستگاه الیاف پوست نارگیل، همراه با الکترولیت‌های تولید شده از پوست موز سوخته و نوعی مرکبات شبیه پرتقال به نام «کوجی تکرا» «Kuji thekera» هستند.

«کالیان رایدونجا» «Kalyan Raidongia» مجری این تحقیقات می‌گوید: «هدف ما تبدیل مواد زیستی فراوان در مناطق روستایی و پسماند‌های غذایی بسیار زیاد در مناطق شهری برای تولید برق ارزان است.»

وی افزود: «بر اساس یافته‌های پیشین می‌دانیم می‌توان از اختلاط محلول‌های آبی با غلظت‌های مختلف الکترولیت یا شوری، مانند آب دریا و آب رودخانه، از طریق غشا‌های انتخابی یونی، برق تولید کرد.»

یون‌های موجود در محلول که به عنوان گرادیان غلظت شناخته می‌شوند، در غشا از غلظت‌های بالا به غلظت‌های پایین‌تر حرکت می‌کنند. در همین حرکت، الکترود‌هایی که در دو طرف قرار می‌گیرند، جریان را گرفته و برق را مهار می‌کنند.

به گفته مجریان این طرح، استفاده از گرادیان‌های غلظت برای تولید نیرو، پتانسیل تولید مقادیر زیادی برق پاک و پایدار را دارد، اما این فناوری هنوز به طور کامل کاوش نشده است.

رایدونجا اظهار داشت: «به دلیل پتانسیل نظری گسترده آن یعنی بیش از ۲.۴ تریلیون وات، گرادیان غلظت به عنوان یکی از بالقوه‌ترین جایگزین‌ها برای سوخت‌های فسیلی در نظر گرفته می‌شود.»

پوست نارگیل و موز

برخی از آزمایشگاه‌ها این ایده را با استفاده از مواد فناوری پیشرفته آزمایش کرده اند، اما پژوهشگران هندی سیستمی متکی به پسماند‌های در دسترس را در نظر گرفته اند.

آنها نخست غشاء را با قرار دادن الیاف پوست نارگیل به صورت موازی در یک پلیمر سیلیکونی تهیه کردند. الیاف دارای منافذی در مقیاس نانو هستند که عبور مستقیم یون‌ها را امکان پذیر می‌کند. این الیاف با نانوماده ارزان قیمت تولید شده از بلور‌های پنتوکسید وانادیم تجاری موجود، بهینه شد. این لایه نازک اتمی گزینش پذیری غشاء را برای یون‌های خاص ارتقا داده و هدایت الکتریکی را افزایش می‌دهد، اما ممکن است بر پایداری کلی دستگاه تاثیر بگذارد، زیرا وانادیوم باید استخراج شود.

سپس این گروه پوست موز و کوجی تکرای خشک شده را در آب خیس کردند تا به ترتیب محلول باز و اسیدی بسازند. جداسازی محلول‌های اسید و باز با غشاء باعث ایجاد گرادیان شدید انرژی می‌شود.

رایدونجا ادامه داد: «مهاجرت انتخابی گونه‌های دارای بار مثبت از محفظه اسیدی به محفظه بازی (که توسط فرآیند خنثی سازی هدایت می‌شود) باعث ایجاد عدم تعادل بار بین دو محفظه می‌شود. به طور مشابه، حرکات گونه‌های باردار (یون‌های H+) از طریق غشای انتخاب کننده یون، موجب ایجاد جریان الکتریکی می‌شود.»

مهندسان با این دستور العمل دستگاه جدیدی را آزمایش کرده و برای اثبات تولید برق با این شیوه اقدام کردند.

رایدونجا گفت: «این اولین نمایش از امکان تبدیل بیو الکترولیت‌ها از زباله‌های زیستی به برق است. با این دستگاه‌های اولیه که بدون استفاده از ماشین آلات پیشرفته ساخته شدند، چگالی توان در مقیاس ۱۰ وات بر متر مربع حاصل شد.»

هنوز جای پیشرفت وجود دارد

اگرچه هنوز خروجی نسبتا اندک است برای مثال برای تامین برق یک چراغ LED کافی است، محققان هندی معتقدند با آزمایش الکترود‌های مختلف و ساختار‌های غشایی می‌توان این کار را به راحتی بهبود بخشید.
 
آنها قصد دارند الکترود‌های مقرون به صرفه‌تر و کارآمدتری بسازند و همچنین در تلاش برای یافتن جایگزینی برای پلیمر سیلیکونی هستند که الیاف پوست نارگیل در جای خود نگه دارد.

رایدونجا بیان داشت: «به عنوان مثال، جایگزینی سیلیکون با خاک رس، این دستگاه‌ها را برای مناطق روستایی ساده‌تر و مقرون به صرفه‌تر می‌کند: فقط خاک رس، الیاف پوست نارگیل و پسماند مواد غذایی».

وقتی هزینه و پیچیدگی‌های دستگاه کاهش یافته و خروجی آن افزایش یابد، دسترسی به منبع انرژی که پسماند مواد غذایی را بازیافت کرده و هر کسی در هر جایی بتواند آن را ساخته و راه اندازی کند، آسان‌تر می‌شود.

هزینه کامل و بررسی زیست محیطی این فناوری هنوز انجام نشده است و استفاده از پلیمر سیلیکونی و وانادیوم ممکن است بر پایداری دستگاه تاثیر بگذارد. با این حال، مهندسان از این که پسماند مواد غذایی می‌تواند تولید برق را غیرمتمرکز کند هیجان زده شده اند.

راندونجا توضیح داد: «به جای تولید مقادیر زیادی انرژی در یک مکان و توزیع آن در خانواده‌ها یا محله‌های مختلف، هر خانواده می‌تواند این دستگاه‌ها را با حداقل آموزش بسازد و شروع به تولید انرژی کند. انرژی مازاد تولید شده را می‌توان به مکان‌های معمولی مانند مدارس، دانشگاه‌ها و ادارات فروخت.»

نتایج این تحقیقات در نشریه Advanced Functional Materials منتشر شده است.