با راه رفتن برق تولید کنید!

به گزارش برق نیوز، بر اساس مطالعه اخیر منتشر شده در مجله Engineering Reports، محققان روش جدیدی برای ساده سازی تولید برق از پیاده روی در خیابان ایجاد کرده اند.

مواد پیزوالکتریک مدت هاست که وجود دارند، اما تولید انرژی کافی از آن‌ها برای دستگاه‌های الکترونیکی بزرگ همچنان یک چالش باقی مانده است.

به طور خاص، استفاده از مفهوم "قطبش درجه بندی شده" به معنی استفاده از انواع مختلف فشار‌های مکانیکی بر روی یک ماده پیزوالکتریک، نوید تولید انرژی بیشتری را از آنچه قبلا تصور می‌شد، داده است.

یکی از ویژگی‌های غیرمعمولی که برخی سرامیک‌ها و پلیمر‌ها از خود نشان می‌دهند، پدیده پیزوالکتریک یا "اثر فشاربرقی" است.

بااعمال نیروی خارجی، دوقطبی‌های این سرامیک‌ها تحریک می‌شوند و میدان الکتریکی ایجاد می‌شود. وارونه کردن اثر نیرو (مثلاً از کششی به فشاری) جهت میدان را معکوس می‌کند.

از مواد پیزوالکتریک در مبدل‌ها و وسایلی که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کنند یا برعکس استفاده می‌شود. کاربرد‌های نام‌آشنایی از جمله پیکاپ گرامافون، میکروفون‌ها، مولد‌های ماوراء صوت و حسگر‌های سونار از خاصیت پیزوالکتریک استفاده می‌کنند. در پیکاپ گرامافون همچنان که قلم، شیار‌های رکورد را می‌پیماید یک اختلاف فشار به ماده پیزوالکتریک موجود در پیکاپ وارد می‌شود که نهایتا به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌شود. این سیگنال قبل از ورود به بلندگو تقویت می‌شود. خاصیت پیزوالکتریک یک ویژگی مواد کریستالی دارای ساختار پیچیده بدون تقارن است. رفتار پیزوالکتریک یک پلی‌کریستال به وسیله گرم کردن بالاتر از دمای کوری و سپس خنک کردن تا دمای اتاق در مجاورت میدان الکتریکی قوی بهبود می‌یابد.

اثر پیزوالکتریک توانایی برخی مواد برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی است. این اثر را برادران کوری، "پیر و ژاک کوری" در دهه ۱۸۸۰ کشف کردند.

موادی که این پدیده را از خود بروز می‌دهند، مواد پیزوالکتریک نامیده می‌شوند. اثر پیزوالکتریک در انواع بسیاری از مواد از جمله تک بلورها، سرامیک‌ها، بسپار‌ها و مواد مرکب دیده می‌شود. تولید اختلاف پتانسیل الکتریکی در برخی بلور‌های نارسانا مثل کوارتز تحت کشش یا فشار معکوس هم‌اند و هرچه میزان فشار یا کشش بیش‌تر باشد، اختلاف پتانسیل تولید شده بیش‌تر است. اثر پیزوالکتریک معکوس به معنی تغییر شکل آن‌ها بر اثر اعمال اختلاف پتانسیل الکتریکی است. اگر دو وجه روبرویی در هر یک از این بلور‌ها را به اختلاف پتانسیل متناوب الکتریکی وصل کنیم، تغییر شکل متناوبی در آن رخ می‌دهد و به ارتعاش در می‌آید.

اکنون این تکنیک جدید می‌تواند تولید انرژی الکتریکی از راه رفتن را افزایش دهد.

با ادامه تغییرات اقلیمی جهان، خطرات مهمی سلامتی انسان، اکوسیستم‌ها و اقتصاد دنیا را تهدید می‌کند. در حالی که بحران شیوع ویروس کرونا به محیط زیست برای بازیابی و نفس کشیدن از دست انسان‌ها کمک کرد، اما این قرنطینه‌ها و اعمال محدودیت‌ها دائمی نیست و این موضوع، روش خوبی برای جلوگیری از تغییرات اقلیمی نیست.

در نتیجه، دانشمندان در سراسر جهان در تلاش هستند تا روش‌های پاک و کم خطری برای تولید انرژی بیابند.

اکنون محققان موسسه فناوری "مندی" هند در تلاش برای ارائه راه حل‌های جدید، راهی جدید برای تولید برق از طریق جابجایی انسان -پیاده روی- یافته اند.

محققان آرایش جهت قطبش جدیدی را برای مواد پیزوالکتریک پیشنهاد کردند که به منظور افزایش توان خروجی چنین مواد پیشرفته‌ای طراحی شده است تا در هنگام قرار گرفتن در معرض فشار، انرژی مکانیکی و انرژی الکتریکی را با نرخ بهره وری بالایی به یکدیگر تبدیل کنند.

از مواد پیزوالکتریک می‌توان در شرایط مختلف استفاده کرد. به عنوان مثال، اگر به عنوان کاشی‌های کف نصب شوند، می‌توانند از طریق راه رفتن انسان، انرژی الکتریکی تولید کنند و این کارکرد در مورد کف جاده‌ها و وسایل نقلیه نیز وجود دارد، جایی که می‌توان از انرژی حاصل برای تأمین انرژی چراغ‌های خیابان و چراغ‌ها و تابلو‌های راهنمایی استفاده کرد.

اگر از این مواد در یک مکان شلوغ استفاده شود، می‌تواند برای وسایل حتی بزرگتر نیز انرژی کافی تولید کند. اگرچه این به نظر عملی انقلابی می‌رسد، اما واقعیت ناراحت کننده این است که انرژی تولید شده از این مواد تاکنون بسیار کم بود و کاربرد‌های واقعی آن‌ها را به استفاده در تجهیزات کم انرژی محدود می‌کرد.

در واقع مواد پیزوالکتریک تاکنون انرژی بسیار کمی برای کاربرد‌ها در دنیای واقعی تولید می‌کردند، اما تکنیک جدید محققان هندی در‌های جدیدی را به سوی کاربرد‌های واقعی وسیع‌تر باز کرده است.

"راهول وایش" یکی از محققان ارشد این تحقیق گفت: ما روشی را توسعه داده ایم که به عنوان "قطبش درجه بندی شده" شناخته می‌شود تا توان تولیدی مواد پیزوالکتریک را بیش از ۱۰۰ برابر افزایش دهد.

محققان راهی برای تبدیل انواع فشار‌های مکانیکی از جمله فشار‌های خمشی، عمودی و کششی به انرژی برق پیدا کردند.

پیشرفت‌های قابل توجهی که از طریق این تکنیک جدید امکان پذیر است، دریچه‌ای را برای توسعه طرح‌های پیزوالکتریک در دنیای واقعی باز می‌کند که از نظر تئوریک قادر به تامین انرژی حمل و نقل شهری در مقیاس جهانی است.

مواد پیزوالکتریک -اگر با موفقیت به طور گسترده استفاده شوند و انرژی کافی تولید کنند- می‌توانند برنامه‌های کاربردی بی شماری از جمله شارژ کردن تلفن‌های هوشمند با راه رفتن انسان داشته باشند.

در حال حاضر، محققان در تلاش هستند تا یافته‌های خود را بهبود بخشند و پیش بینی دقیق تری در مورد تأثیرات این روش جدید بر روی خواص مکانیکی مواد پیزوالکتریک به دست آورند.

این مطالعه یک اتفاق هیجان انگیز است، اما هنوز خیلی مانده است تا تبدیل به یک واقعیت در دنیای واقعی برای سایر اشکال تولید انرژی در مقیاس بزرگ به شکل رایج و پایدار شود.