تحويلُ الحرارةِ الضّائعةِ إلى كهرباء

استمع على ساوندكلاود 🎧

انطلاقًا من أنَّ الكونَ في حالةٍ من الفوضى وهذه الفوضى والعشوائية في تزايدٍ مستمرّ، وانطلاقًا من مبدأي الدّيناميكا الحراريّة: الأوّل الذي يوصي بأنَّ الطّاقةَ لا تفنى ولا تخلق من العدمِ، إنّما تتحّولُ من شكلٍ إلى آخرَ (Energy cannot be created or destroyed، but can be converted from one to another) والثّاني الذي يُفضي إلى أنَّ الأنتروبي (العشوائيّة) تزدادُ بزيادةِ الحرارةِ، وتنخفضُ بانخفاضِها (Adding heat to a body increases its entropy; removing heat lowers its entropy). انطلاقًا من كلِّ ذلك قامتْ مجموعةٌ من المهندسين في جامعةِ ولايةِ أوهايو The Ohio State باستخدامِ تقنيّةٍ جديدةٍ تعتمدُ على التقاطِ الحرارةِ الضّائعةِ والاستفادةِ منها بتحويِلها إلى كَهرَباء، كتلكَ الصّادرةِ من الأجهزةِ الميكانيكيّةِ والكَهرَبائيّةِ كمُحرّكِ السّيّارة.

ازدادَ الاهتمامُ بدراسةِ الكهرباءِ الحراريّةِ في الأجسامِ الصُّلبةِ منذُ أن كانَ الغرضُ الرّئيسيُّ التقاطَ الحرارةِ الضّائعةِ داخلَ موادٍّ مُصمَّمةٍ بشكلٍ خاصّ لتوليدِ الطّاقةِ وإضافتِها إلى كفاءةِ الطّاقةِ الكلّيّة. يقولُ Stephen Boona، وهو باحثٌ ما بعدَ الدّكتوراه في ولاية أوهايو، إنَّ أكثرَ من نصفِ الطّاقةِ المستخدمةِ تُفقَدُ في الجوِّ على شكلِ حرارةٍ ويُمكنُ هذه الكهرباء الحراريّةَ في الأجسامِ الصُّلبةِ أن تساعدَنا على استرجاعِ جزءٍ من الطّاقةِ المستهلَكَةِ، وبما أنَّ هذه الأجهزةَ تفتقرُ إلى أجزاءٍ متحرّكةٍ، فإنّها ستكون محميّةً ضدَّ التآكلِ، وتتّصفُ أيضًا بقوّتِها ولا تحتاجُ إلى صيانة. لسوءِ الحظِّ، ما تزالُ هذه التّقنيّاتُ، حتّى يومنا هذا، باهظةَ الثّمنِ وليست فعّالةً بشكلٍ كافٍ لتبريرِ استخدامِها على نطاقٍ واسع، لكنَّ الباحثين يسعون إلى تغييرِ ذلك.

في بحثٍ سابقٍ سنةَ 2012 بواسطةِ فريقِ البحثِ نفسِهِ في ولايةِ أوهايو، أخبرَنا Joseph Heremans، وهو أستاذٌ في الهندسةِ الميكانيكيّةِ والطّيران وباحثٌ بارزٌ في تقنيّةِ النّانو في أوهايو، بأنَّ الحقلَ المغناطيسيَّ يُمكنُ أن يعزّزَ التّأثيرَ الميكانيكيَّ الكمّيَّ وهو ما يُسمَّى أثرَ سيبِك الدَّورانيّ Spin Seebeck Effect (فإنَّ الاختلافَ في درجاتِ الحرارةِ يُسبّبُ حركةَ الإلكتروناتِ من الجهةِ السّاخنةِ إلى الجهةِ الباردةِ وهو ما يُنتِجُ فرقًا في الجهدِ الكهربائيِّ وبالتّالي يُمكن أن يُسيِّرَ تيّارًا كهربائيًّا في دائرةٍ مغلقة) . وهذا سوفَ يُعزّزُ من قيمةِ الجهدِ الخارجِ من الأغشيةِ الرّقيقةِ المصنوعةِ من موادَّ شاذّةٍ بتركيبٍ نانويّ وذلك من بضعةِ ميكرو فولتات إلى بضعةِ ميلي فولتات. يكمنُ التّطوّرُ في هذا المجالِ في أنّه يساعدُ على زيادةِ الخَرْجِ من بضعةِ نانو فولتات إلى عشراتِ أو حتّى مئاتِ النّانو فولتات، وذلكَ باستخدامِ مركّبٍ من معدنَينِ شائعَينِ جدًّا ألا وهما النّيكل مع القليلِ من البلاتينيوم. ويُمكنُ إدراجُ هذهِ التّقنيّةِ في أبسطِ الأجهزةِ والتي لا تتطلّبُ موادَّ نانويّةً ويُمكنها أن تساهمَ بارتقاءِ الصّناعةِ بسهولة. وقالَ Heremans إنَّ الدّيناميكا الحراريّةَ الكلاسيكيّةَ تُغطّي، بشكلٍ أساسيّ، المحرّكاتِ البخاريّةَ والتي تستخدمُ البخارَ كمائعٍ في عملِها، أو المحرّكاتِ النفّاثةَ أو محرّكاتِ السيّاراتِ والتي تستخدمُ الهواءَ كمائعٍ في عملِها، في حينِ أنَّ الكهرباءَ الحراريّةَ تستخدمُ الإلكترونات كمائعٍ في عملِها. ونحنُ في هذا العملِ نستخدمُ كمّيّاتٍ من المغنطةِ أو Magnons كمائعٍ في العمل.

على الرّغمِ من أنَّ الأبحاثَ لم تنتجْ جهازًا حقيقيًّا حتّى الآن، إلّا أنَّ Heremans يعرفُ أن إثباتَ صحّةِ المبدأِ الذي أنشأهُ بحثُهم سيُستخدَمُ في نهايةِ المطافِ في مولّداتِ الحرارةِ الضّائعةِ، بما في ذلك محرّكاتِ السّيّاراتِ والمحرّكاتِ النفّاثة.

المصادر:

هنا

هنا