رابطه بازیافت مواد و گرما

ایده بازیافت کاغذ، شیشه، فلز و پلاستیک مدت هاست که ذهن ما دانشمندان را به خود مشغول داشته و به مرحله عمل نیز درآمده است. اما دانشمندان در تلاشند تا گرما را نیز بازیافت کنند و منابع جدیدی را برای تولید و باز تولید 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 عظیم و نامحدودی که دارای پتانسیل بسیار خوبی برای تولید انرژی بوده و چندان مورد توجه و کنکاش قرار نگرفته است. گرمای موجود در اتمسفر و گرمای تولید شده توسط خودروها و کارخانه هاست. البته بازیافت و بازتولید گرما در مقیاس محدود برخی 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 کرد. علاوه بر این، ایده های جالبی در مورد گرم کردن آب سرد منازل از طریق عبور دادن لوله های فاضلاب حاوی آب گرم مصرف شده از کنار آنها به ذهن مبتکران و مهندسان خطور کرده و در برخی موارد، طرفداران بسیاری پیدا کرده 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 عنوان مثال، دستگاه های رایانه، چاپگر و فتوکپی که به تعداد زیاد در ادارات و منازل وجود دارد حجم قابل توجهی گرما تولید می کنند 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 تولید شده توسط رایانه ها به عنوان بخشی از سیستم گرمایشی داخلی ادارات هستند. گروه تحقیقاتی دکتر برنر سیستمی را طراحی کرده 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 تولید شده توسط رایانه به منظور گرم کردن فضای داخلی اتاق ها استفاده شود و هم از فعال شدن پنکه های خنک کننده 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 کنند 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 کننده ها و آبگرمکن های آن خرج می شد.

در این پروژه گرمای تولید شده توسط گیاهان موجود در گلخانه ها برای گرم کردن سایر بخش های اداری و کارمندی باغ گیاه شناسی مورد استفاده و بازیافت قرار گرفت. 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 کننده گلخانه ها شد.

گرمای ارزشمند

عملکرد موفق سیستم طراحی شده توسط دکتر برنر و همکارانش ثابت کرد که گرما یک کالای ارزشمند است که می تواند در جایی که به آن نیاز 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 تولید 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 کنند. 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. ارزان بودن و انعطاف پذیری قابل توجه این آنتن ها موجب می شود تا یک منبع کم هزینه و فراوان برای تولید برق در دسترس همگان قرار گیرد. تنها مشکل و محدودیت این روش تولید الکتریسیته به فرکانس بسیار بالای جریان الکتریسیته تولید شده آنتن ها برمی گردد 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، به وسیله 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 تولید شده توسط آنتن های نانوسکوپی هستند. برای رفع این مشکل بزرگ، دکتر نوواک و همکارانش تصمیم گرفتند تا یک دیود نانوسکوپی به آنتن های نانوسکوپی اضافه کنند 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 تولید 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 تولید جریان الکتریکی مورد استفاده قرار می گیرند که این فرایند تولید 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 مناطق گرمسیر جهان به منظور تبدیل آنها به کاتالیزوری برای تولید برق با استفاده از سلول های فتوولتائیک است. به موازات این تحقیقات، دکتر "پیتر هاگل اشتاین" از موسسه تکنولوژی ماساچوست (MIT ) نیز در حال بررسی 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 تولید انبوه آنها می تواند انقلابی در بازیافت گرما و تولید 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 تولید کرد. در یکی از آزمایش های انجام شده توسط 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 تولید شده در داخل لپ تاپ باتری لپ تاپ را تا 20 درصد شارژ کند.

منبع: ویژه نامه علوم و فناوری اکونومیست