بازیافت قرن بیست و یکم: گرما! - وبلاگ بروز

به گزارش وبلاگ بروز، ایده بازیافت کاغذ، شیشه، فلز و پلاستیک مدت هاست که فکر ما دانشمندان را به خود مشغول داشته و به مرحله عمل هم درآمده است. اما دانشمندان در تلاشند تا گرما را هم بازیافت نمایند و منابع جدیدی را برای فراوری و باز فراوری گرما بیابند.

بازیافت قرن بیست و یکم: گرما!

ترجمه: سید حسین علوی لنگرودی

ایده بازیافت کاغذ، شیشه، فلز و پلاستیک مدت هاست که فکر ما دانشمندان را به خود مشغول داشته و به مرحله عمل هم درآمده است. اما دانشمندان در تلاشند تا گرما را هم بازیافت نمایند و منابع جدیدی را برای فراوری و باز فراوری گرما بیابند.

امروزه، پیشرفت در زمینه دانش و فناوری باعث شده تا منابع گوناگون و متنوع انرژی از جمله خورشید، باد، امواج و جزر و مد دریاها و اقیانوس ها به خدمت بشر درآیند و وابستگی به سوخت ها و انرژی های فسیلی را به حداقل برسانند.

با این همه، یکی از منابع بزرگ و نامحدودی که دارای پتانسیل بسیار خوبی برای فراوری انرژی بوده و چندان مورد توجه و کنکاش قرار نگرفته است. گرمای موجود در اتمسفر و گرمای فراوری شده از طریق خودروها و کارخانه هاست. البته بازیافت و بازفراوری گرما در مقیاس محدود بعضی کشورها به مرحله اجرا درآمده است که از جمله آنان می توان به استفاده از فاضلاب گرم برای گرم کردن کف منازل و آب کردن یخ جاده ها اشاره نمود. علاوه بر این، ایده های جالبی در خصوص گرم کردن آب سرد منازل از طریق عبور دادن لوله های فاضلاب حاوی آب گرم مصرف شده از کنار آنها به فکر مبتکران و مهندسان خطور نموده و در بعضی موارد، هواداران بسیاری پیدا نموده است.

با این همه، باید دانست که منابع گرمایی قابل بازیافت و به کارگیری مجدد در اطراف ما بسیار زیاد هستند که متاسفانه ما از آنها بهره برداری مطلوبی نمی کنیم. به اسم مثال، دستگاه های رایانه، چاپگر و فتوکپی که به تعداد زیاد در ادارات و منازل وجود دارد حجم قابل توجهی گرما فراوری می نمایند که نه تنها مورد استفاده بهینه قرار نمی گیرند، بلکه برای مقابله با آنها و خنک کردن این دستگاه ها، حجم قابل توجهی انرژی مصرف می شود. تحقیقات نشان داده است که از سال 2005 تا 2010، هزینه انرژی مصرف شده در آمریکا برای خنک کردن رایانه های خانگی و اداری، 7/4 میلیارد دلار بوده است!

دکتر پاول برنر، از پژوهشگران علوم رایانه در دانشگاه ایندیانا، به همراه همکارانش در حال مطالعه بر روی ایده استفاده از گرمای فراوری شده از طریق رایانه ها به اسم بخشی از سیستم گرمایشی داخلی ادارات هستند. گروه تحقیقاتی دکتر برنر سیستمی را طراحی نموده اند که شامل وسایل گرمازای هوشمندی است و به محض گرم شدن (داغ شدن) رایانه های موجود در یک اداره، خاموش می شوند تا بدین وسیله هم از گرمای فراوری شده از طریق رایانه به منظور گرم کردن فضای داخلی اتاق ها استفاده شود و هم از فعال شدن پنکه های خنک نماینده قطعات رایانه جلوگیری شود. آنها در نخستین گام، این سیستم را در یکی از دانشکده های دانشگاه ایندیانا به صورت آزمایشی پیاده کردند که به نتایج بسیار مطلوبی دست پیدا کردند.

در مرحله بعد، گروه تحقیقاتی دکتر برنر، تصمیم گرفتند این سیستم را در ابعاد بزرگ تری آزمایش نمایند و به همین منظور، باغ گیاه شناسی ساوث بند در ایندیانا را در نظر گرفتند که در هر سال، هزینه ای بالغ بر 115 هزار دلار برای فعال سازی سیستم گرمایشی، خنک نماینده ها و آبگرمکن های آن خرج می شد.

در این پروژه گرمای فراوری شده از طریق گیاهان موجود در گلخانه ها برای گرم کردن سایر بخش های اداری و کارمندی باغ گیاه شناسی مورد استفاده و بازیافت نهاده شد. پیاده شدن این سیستم در این باغ گیاه شناسی بزرگ در مدت یک سال موجب صرفه جویی 600،15 دلاری در هزینه گاز و کاهش 3800 دلاری هزینه سیستم خنک نماینده گلخانه ها شد.

گرمای ارزشمند

عملکرد پیروز سیستم طراحی شده از طریق دکتر برنر و همکارانش ثابت کرد که گرما یک کالای ارزشمند است که می تواند در جایی که به آن احتیاج است، بازیافت شود. با این حال، چون الکتریسیته دارای بیشترین قابلیت انتقال پذیری و تبدیل شدن به سایر انرژی ها است، پس تبدیل گرما به الکتریسیته جزو مهم ترین اهداف دانشمندان برای مرحله بعدی تحقیقاتشان است. یکی از ایده های مورد توجه بسیاری از پژوهشگران برای نیل به این مقصود، تبدیل گرما به الکتریسیته با استفاده از ترموکوبل های ساندویچی است. این ساندویچ ها از دو تکه فلز تشکیل شده اند که گرم شدن یکی از آنها نسبت به دیگری موجب فراوری جریان الکتریسیته بین آن دو می شود. دکتر استیفن نوواک و دکتر دال کوتر به همراه یک گروه تحقیقاتی از آزمایشگاه ملی آیداهو در حال مطالعه بر وسیله ای به نام آنتن نانوسکوپی هستند که جنس آلیاژ طلا یا کرومیوم نیکل ساخته شده و قادر به استفاده از فعل و انفعالات موجود در تابش های فروسرخ این آلیاژها هستند و آنها را به جریان الکتریسیته تبدیل می نمایند. با کنار هم قرار دادن این آنتن های کوچک و تبدیل آنها به یک مجموعه، می توان حجم قابل توجهی الکتریسیته را پس از گرم کردن این آلیاژها به دست آورد. مقرون به صرفه بودن و انعطاف پذیری قابل توجه این آنتن ها موجب می شود تا یک منبع کم هزینه و فراوان برای فراوری برق در دسترس همگان قرار گیرد. تنها مشکل و محدودیت این روش فراوری الکتریسیته به فرکانس بسیار بالای جریان الکتریسیته فراوری شده آنتن ها برمی شود که چیزی نزدیک به سی تتراهرتز است که پانصد میلیارد بار قوی تر از فرکانس 60 هرتزی برق در آمریکا و بسیاری دیگر از کشورهای دنیاست.

برای حل این مشکل، از طریق ای به نام رکتیفایر است که وظیفه اصلی اش، متعادل کردن جریان الکتریسیته و قابل استفاده نمودن آن است، اما خبر بد آن که رکتیفایرهای موجود، قط قادر به تبدیل فرکانس های تا 100 گیگاهرتز هستند که سیصد بار ضعیف تر از فرکانس های سی تتراهرتزی فراوری شده از طریق آنتن های نانوسکوپی هستند. برای برطرف این مشکل بزرگ، دکتر نوواک و همکارانش تصمیم گرفتند تا یک دیود نانوسکوپی به آنتن های نانوسکوپی اضافه نمایند که دارای قابلیت تبدیل جریان قوی این آنتن ها به جریان مستقیم که به مراتب قابل کنترل تر است و بر کارایی عملی این آنتن ها برای فراوری برق از گرما می افزاید.

یکی دیگر از راه های بازیافت گرما، استفاده از سلول های فتوولتائیک از نوع سلول های خورشیدی به منظور استحصال امواج فروسرخ می باشد. در این روش، ابتدا الکترون ها از اتم ها آزاد شده و برای فراوری جریان الکتریکی مورد استفاده قرار می گیرند که این فرایند فراوری الکتریسیته با افزایش دما تشدید و تسریع می شود.

هم اکنون، یک گروه تحقیقاتی به رهبری باب دی متیو در دانشگاه بوستون در حال مطالعه روی استفاده از گرمای موجود در منطقه ها گرمسیر دنیا به منظور تبدیل آنها به کاتالیزوری برای فراوری برق با استفاده از سلول های فتوولتائیک است. به موازات این تحقیقات، دکتر پیتر هاگل اشتاین از موسسه تکنولوژی ماساچوست (MIT) هم در حال آنالیز راه های طراحی و ساخت سلول های خورشیدی جدیدی است که قادر به جذب گرمای خورشید و محیط اطراف به منظور تبدیل آن به انرژی الکتریکی بوده و فراوری انبوه آنها می تواند انقلابی در بازیافت گرما و فراوری الکتریسیته با استفاده از گرما به وجود آورد.

نتایج تحقیقات دکتر هاگل اشتاین که در نوامبر سال 2009 در نشریه فیزیک کاربردی به چاپ رسیده است، حکایت از آن دارد که با ایجاد تغییرات خاص در مواد مورد استفاده در سلول های خورشیدی و دگرگون ساختن ساختار عملکردی آن می توان از هر سانتی متر مربع این نوع سلول های حساس به گرما، تا یک صد وات برق فراوری کرد. در یکی از آزمایش های اجرا شده از طریق گروه تحقیقاتی دکتر هاگل اشتاین، نمونه ای از این سلول ها ی تغییر ماهیت داده در یک دستگاه لپ تاپ نصب شد و توانست با استفاده از گرمای فراوری شده در داخل لپ تاپ باتری لپ تاپ را تا 20 درصد شارژ کند.

منبع: ویژه نامه علوم و فناوری اکونومیست

منبع: دانشمند شماره 567

منبع: راسخون