کاغذ دیواری که از رطوبت هوا برق تولید می‌کند؛ فناوری جدید برای خانه‌های هوشمند

به گزارش تجارت نیوز، تصور کنید دیوارهای خانه فقط برای زیبایی یا عایق‌کاری استفاده نشوند و بتوانند بخشی از برق مورد نیاز تجهیزات هوشمند را نیز تولید کنند. این ایده حالا با توسعه نوعی کاغذ دیواری جدید به واقعیت نزدیک‌تر شده است.

پژوهشگران دانشگاه بینگهمتون در نیویورک، کاغذ دیواری‌ای ساخته‌اند که از رطوبت موجود در هوای داخل ساختمان انرژی می‌گیرد. این فناوری هنوز نمی‌تواند برق مورد نیاز وسایل پرمصرفی مانند تلویزیون، یخچال یا سیستم تهویه را تأمین کند، اما می‌تواند برای دستگاه‌های بسیار کم‌مصرفی که به‌طور مداوم در خانه فعالیت می‌کنند، کاربرد داشته باشد.

اهمیت این فناوری در این است که به جای وابستگی به نور خورشید یا جریان هوا، از یک منبع تقریباً همیشه در دسترس یعنی رطوبت محیط استفاده می‌کند.

کاغذ دیواری چگونه از رطوبت برق تولید می‌کند؟

فناوری جدید بر پایه دستگاه‌هایی به نام ژنراتورهای مرطوب‌الکتریکی یا MEG ساخته شده است. این دستگاه‌ها مولکول‌های آب موجود در هوا را جذب می‌کنند.

هنگامی که رطوبت وارد ماده می‌شود، یون‌ها درون آن حرکت می‌کنند و در بخش‌های مختلف ماده توزیع متفاوتی پیدا می‌کنند. این اختلاف غلظت باعث ایجاد جدایی بار الکتریکی می‌شود و در نهایت میان دو طرف دستگاه یک ولتاژ به وجود می‌آید.

به زبان ساده، کاغذ دیواری از رطوبت هوا برای ایجاد اختلاف بار و تولید مقدار کمی برق استفاده می‌کند.

پژوهشگران می‌گویند این فناوری قرار نیست در شرایط فعلی جایگزین پنل‌های خورشیدی یا دیگر منابع اصلی تولید برق شود. هدف اصلی، استفاده از آن برای تأمین انرژی دستگاه‌هایی است که مصرف بسیار پایینی دارند.

چرا رطوبت داخل خانه اهمیت دارد؟

بیشتر فناوری‌های مشابه که تاکنون برای تولید برق از رطوبت توسعه یافته‌اند، برای محیط‌های بیرونی طراحی شده‌اند. هوای بیرون معمولاً رطوبت بیشتری دارد، اما شرایط آن دائماً تغییر می‌کند.

نور خورشید، دمای هوا، بارندگی و تغییرات آب‌وهوایی می‌توانند عملکرد چنین سیستم‌هایی را تحت تأثیر قرار دهند.

در مقابل، محیط داخل خانه معمولاً شرایط پایدارتر و قابل پیش‌بینی‌تری دارد. طبق توضیح پژوهشگران، رطوبت نسبی فضای داخلی معمولاً در محدوده ۳۰ تا ۶۰ درصد قرار دارد. علاوه بر این، فعالیت‌های روزمره انسان مانند تنفس، آشپزی و حمام کردن نیز رطوبت بیشتری وارد هوای خانه می‌کنند.

پروفسور سئوخیون «شان» چوی، استاد مهندسی برق و کامپیوتر دانشگاه بینگهمتون، معتقد است همین پایداری نسبی رطوبت داخلی می‌تواند محیط مناسبی برای استفاده از ژنراتورهای مرطوب‌الکتریکی ایجاد کند.

چالش اصلی؛ تبدیل یک فناوری آزمایشگاهی به کاغذ دیواری

تولید برق از رطوبت ایده جدیدی نیست، اما تبدیل این فناوری به محصولی که بتوان آن را روی دیوار خانه نصب کرد، چالش‌های زیادی دارد.

ژنراتورهای مرطوب‌الکتریکی معمولاً از ساختارهایی استفاده می‌کنند که در آنها یک قسمت بیشتر رطوبت را جذب می‌کند و قسمت دیگر به آزادسازی یا تبخیر آب کمک می‌کند. این تفاوت باعث ایجاد یک گرادیان رطوبت و در نتیجه حرکت یون‌ها و تولید برق می‌شود.

اما وقتی قرار است چنین ساختاری در ابعاد یک دیوار گسترش پیدا کند، حفظ این جریان جهت‌دار رطوبت دشوارتر می‌شود. همچنین استفاده از ساختارهای بزرگ می‌تواند فضای زیادی اشغال کند.

پژوهشگران دانشگاه بینگهمتون برای حل این مشکل، طراحی جدیدی را توسعه داده‌اند که از نظر ساختار تا حدی به یک میکروچیپ روی برد مدار شباهت دارد.

سه ماده که در یک کاغذ دیواری کنار هم قرار گرفته‌اند

در طراحی جدید، گلیسرول در لبه‌های ساختار قرار گرفته و وظیفه جذب رطوبت از هوا را بر عهده دارد. در بخش مرکزی نیز ساختاری برجسته از پلی‌وینیل‌پیرولیدون یا PVP قرار گرفته است.

این بخش با استفاده از یک لایه موم الگوبرداری شده تا سرعت آزادسازی رطوبت و تبخیر آب کنترل شود.

در نتیجه، رطوبت از بخش جذب‌کننده در لبه‌ها به سمت بخش تبخیرکننده در مرکز حرکت می‌کند. این جریان کنترل‌شده رطوبت، شرایط مناسب‌تری برای ایجاد گرادیان یون و تولید مداوم برق فراهم می‌کند.

چوی می‌گوید یکی از اهداف اصلی تیم این بوده که تمام این اجزا به گونه‌ای طراحی شوند که قابلیت چاپ داشته باشند. چنین قابلیتی در صورت موفقیت می‌تواند تولید این فناوری را در مقیاس بزرگ‌تر و هزینه کمتر امکان‌پذیر کند.

سیم‌کشی پشت کاغذ دیواری پنهان می‌شود

یکی از مشکلات محصولات الکترونیکی خانگی، تعداد زیادی سیم و کابل قابل مشاهده است. پژوهشگران برای جلوگیری از ایجاد چنین مشکلی، سیم‌کشی مربوط به ژنراتورهای MEG را در پشت کاغذ دیواری قرار داده‌اند.

آنها همچنین ژنراتورها را در دو نوع آرایش سری و موازی به یکدیگر متصل کردند تا ببینند کدام روش می‌تواند برق بیشتری تولید کند. نتایج آزمایش نشان داد که تفاوت چشمگیری میان این دو روش وجود ندارد.

این موضوع می‌تواند دست پژوهشگران را برای طراحی‌های آینده باز بگذارد تا بسته به نوع ساختمان و تجهیزات مورد استفاده، آرایش مناسب را انتخاب کنند.

برق تولیدشده برای چه وسایلی کافی است؟

توان تولیدی این کاغذ دیواری در مرحله فعلی برای تأمین برق وسایل پرمصرف کافی نیست. به همین دلیل، پژوهشگران روی کاربردهایی تمرکز کرده‌اند که به مقدار بسیار کمی انرژی نیاز دارند.

حسگرهای محیطی، صفحه‌کلیدهای بی‌سیم، تجهیزات ارتباطی کم‌مصرف و برخی دستگاه‌های مورد استفاده در خانه‌های هوشمند می‌توانند از جمله کاربردهای احتمالی این فناوری باشند.

این موضوع اهمیت زیادی دارد، زیرا خانه‌های هوشمند به تعداد زیادی حسگر نیاز دارند؛ حسگرهایی که ممکن است دما، رطوبت، کیفیت هوا، حضور افراد یا سایر شرایط محیطی را به‌طور مداوم اندازه‌گیری کنند.

اگر این تجهیزات بتوانند بخشی از انرژی مورد نیاز خود را مستقیماً از محیط اطراف دریافت کنند، نیاز به تعویض باتری یا سیم‌کشی دائمی کاهش خواهد یافت.

کاغذ دیواری می‌تواند هم برق تولید کند و هم به کنترل رطوبت کمک کند

یکی از جالب‌ترین ویژگی‌های این فناوری، امکان ترکیب تولید برق با مدیریت رطوبت داخل ساختمان است.

سیستم‌های تهویه مطبوع و تجهیزات HVAC مقدار قابل توجهی انرژی مصرف می‌کنند تا رطوبت هوا را کاهش دهند و شرایط مطلوبی در فضای داخلی ایجاد کنند.

پژوهشگران معتقدند در صورت توسعه این فناوری، می‌توان از ژنراتورهای مرطوب‌الکتریکی برای جذب بخشی از رطوبت هوا استفاده کرد و همزمان از همین فرآیند، برق تولید کرد.

چوی می‌گوید این رویکرد می‌تواند به جای آنکه صرفاً برای حذف رطوبت از انرژی استفاده شود، بخشی از این فرآیند را به تولید انرژی نیز اختصاص دهد.

آینده کاغذ دیواری‌های تولیدکننده برق

این فناوری هنوز در مرحله پژوهش و توسعه قرار دارد و فاصله زیادی تا استفاده گسترده در خانه‌ها وجود دارد. مهم‌ترین چالش پیش رو، افزایش میزان برق تولیدی و تبدیل ساختار آزمایشگاهی به محصولی بادوام، مقرون‌به‌صرفه و قابل تولید در مقیاس صنعتی است.

با این حال، قابلیت چاپ‌پذیری طراحی جدید می‌تواند مسیر تولید انبوه را ساده‌تر کند. اگر پژوهشگران بتوانند مقدار انرژی تولیدی را افزایش دهند، این فناوری می‌تواند در کنار سایر منابع انرژی، بخشی از نیاز تجهیزات کم‌مصرف ساختمان‌های آینده را تأمین کند.

کاغذ دیواری تولیدکننده برق نشان می‌دهد که منابع انرژی آینده الزاماً به پنل خورشیدی، توربین بادی یا باتری محدود نخواهند بود. حتی رطوبت موجود در هوای یک خانه می‌تواند برای تولید مقدار کمی انرژی مورد استفاده قرار گیرد.

فناوری توسعه‌یافته در دانشگاه بینگهمتون فعلاً برای تأمین انرژی دستگاه‌های کم‌مصرف طراحی شده است، اما استفاده از رطوبت نسبتاً پایدار داخل ساختمان، طراحی قابل چاپ، سیم‌کشی مخفی و امکان کمک به مدیریت رطوبت، آن را به ایده‌ای قابل توجه برای ساختمان‌های هوشمند آینده تبدیل کرده است.

اگر پژوهشگران بتوانند توان خروجی این فناوری را افزایش دهند و هزینه تولید آن را کاهش دهند، ممکن است در آینده دیوارهای خانه‌ها نه‌تنها بخشی از فضای زندگی، بلکه بخشی از زیرساخت تولید انرژی ساختمان نیز باشند.