ورقة اصطناعية مبتكرة تتبع الشمس لزيادة كفاءة الطاقة الشمسية بنسبة تزيد عن 800%

ورقة اصطناعية مبتكرة تتبع الشمس لزيادة كفاءة الطاقة الشمسية بنسبة تزيد عن 800%

طور باحثون صينيون نوعًا جديدًا من الأوراق الاصطناعية التي يمكنها تتبع حركة الشمس، تمامًا مثل الأوراق الحقيقية. هذه الورقة الجديدة قادرة على إنتاج الكهرباء وتقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين، ويمكن أن تحدث ثورة في إنتاج الوقود.

تجمع الورقة الاصطناعية الجديدة بين أقطاب كهربائية مرنة تعمل بالطاقة الشمسية وطلاء هلامي واقٍ. كما أنها تتضمن بنية داعمة مبتكرة من أنابيب نانوية كربونية مدمجة في بوليمر حساس للحرارة.

عندما تتعرض الورقة الاصطناعية لأشعة الشمس، يتم تسخين هذه الأنابيب النانوية محليًا، مما يتسبب في انكماش البوليمر. تظل المناطق غير المعرضة لأشعة الشمس المباشرة في شكل موسع، مما يؤدي إلى "انحناء" الورقة تجاه مصدر الضوء.

"تحافظ هذه العملية بشكل فعال على الورقة مواجهة تلقائيًا لمصدر الضوء دون الحاجة إلى محركات أو أجهزة أخرى. ووفقًا للباحثين، فإن هذه الآلية تشبه الطريقة التي تتبع بها النباتات، وخاصة المائية منها مثل Micranthemum glomeratum، الشمس.

صنع الوقود كما أرادته الطبيعة
في ورقتهم المصاحبة المنشورة في مجلة Advanced Functional Materials، أظهر الباحثون أن الورقة الجديدة تمثل تحسنًا ملحوظًا مقارنة بالأنظمة الصلبة التقليدية.

على سبيل المثال، وجدوا أنه عند زاوية سقوط 45 درجة للضوء، يحافظ الجهاز على كفاءة تقسيم الماء بنسبة أعلى بنسبة 47٪ من البدائل الثابتة. إذا ضرب الضوء الورقة بزاوية 90 درجة، ينتج نظام التتبع 866٪ من وقود الهيدروجين والأكسجين."

"تم تطوير الورقة باستخدام تقنية تصنيع جديدة لترسيب المواد الضوئية النشطة على بلاستيك خفيف الوزن بدلاً من الزجاج. كما قاموا بإنشاء نسخة طبق الأصل اصطناعية من سيتوبلازم الخلايا النباتية باستخدام طلاءات الهيدروجيل."



كما أن هذا الطلاء نافذ، مما يسمح بدخول الماء و"إهدار" الغازات للهروب من النظام. وأثناء التشغيل، احتفظت الأنود الضوئي للورقة (جهاز يفصل الماء) بنسبة 73% من نشاطها بعد 65 ساعة من التشغيل المستمر.

وبإلهام من الطبيعة، تعمل الورقة الاصطناعية أيضًا بشكل استثنائي تحت الماء، وهي البيئة التي غالبًا ما تكافح فيها الألواح الشمسية التقليدية والأوراق الاصطناعية الأخرى.

وفقًا للباحثين، أظهرت الورقة الجديدة أيضًا إنتاجًا مستقرًا للهيدروجين والأكسجين من خلال الانقسام الكامل للمياه، مع تركيز المنتجات على كل من الأقطاب الكهربائية.

هناك حاجة إلى مزيد من العمل
وبقدر ما يبدو كل هذا مثيرًا للإعجاب، يلاحظ الفريق أن التحديات الكبيرة لا تزال قائمة قبل أن يتم توسيع نطاق التكنولوجيا. على سبيل المثال، تبين أن العناصر الهيكلية للأنابيب النانوية تتدهور في الأداء على مدار دورات تتبع متعددة.

كما أثر هذا التدهور بشكل كبير على وقت استجابة تتبع الضوء. ويشير الفريق أيضًا إلى أن تيارات الرياح والمياه من المرجح أن تؤثر بشكل كبير على التطبيقات في العالم الحقيقي، مما يقلل بشكل كبير من حركتها وكفاءتها.

ومع ذلك، يوضح الابتكار الأساسي كيف يمكن لمحاكاة حلول الطبيعة التغلب على الحواجز التقنية المستمرة. يساعد هذا التطور المثير للاهتمام في تعزيز التمثيل الضوئي الاصطناعي من خلال معالجة المشكلة الأساسية المتمثلة في الاعتماد الزاوي في التقاط الطاقة الشمسية.

"إذا تم توسيع نطاق تكنولوجيا مثل هذه وجعلها أكثر قوة، فقد يؤدي ذلك إلى بداية عصر جديد من أنظمة الطاقة الشمسية وإنتاج الوقود الشمسي التي يمكن أن تعمل بشكل مستقل دون أنظمة تتبع ميكانيكية. وهذا من شأنه أن يمكن الصناعات من إنتاج الطاقة والوقود الحيوي بكفاءة أكبر وبتكلفة أقل.

يمكن الاطلاع على الدراسة الكاملة في م
جلة Advanced Functional Materials."