ساخت یک ابرخازن جدید از قدیمی‌ترین مواد در تاریخ
تاریخ انتشار: ۱۱ مرداد ۱۴۰۲ | کد خبر: ۳۸۳۶۸۷۲۶
ابرخازن جدیدی که از سیمان، کربن سیاه و آب ساخته شده است، می‌تواند امکان ذخیره ارزان و مقیاس‌پذیر منابع انرژی تجدیدپذیر را فراهم کند.
به گزارش ایسنا و به نقل از ام‌آی‌تی نیوز، پژوهش جدید مهندسان دانشگاه «ام‌آی‌تی»(MIT) نشان می‌دهد دو مورد از رایج‌ترین مواد باستانی یعنی سیمان و کربن سیاه ممکن است بتوانند مبنایی برای یک سیستم ذخیره انرژی جدید و کم‌هزینه باشند.
بیشتر بخوانید:
اخباری که در وبسایت منتشر نمی‌شوند!
پژوهشگران دریافتند این دو ماده را می‌توان با آب ترکیب کرد و نوعی ابرخازن را به عنوان جایگزین برای باتری‌ها ساخت که می‌تواند انرژی الکتریکی را ذخیره کند. به عنوان مثال، مهندسانی که این سیستم را ابداع کرده‌اند، می‌گویند که ابرخازن آنها را در نهایت می‌توان در شالوده بتنی یک خانه گنجاند تا انرژی یک روز کامل را ذخیره کند، استحکام سازه مورد نیاز را تامین کند و در عین حال، هزینه کمی داشته باشد. همچنین، این گروه پژوهشی از یک جاده بتنی صحبت کردند که می‌تواند شارژ مجدد را برای خودروهای الکتریکی هنگام حرکت در آن جاده فراهم کند.
این فناوری ساده اما نوآورانه توسط «فرانتس جوزف اولم»(Franz-Josef Ulm)، «ادمیر ماسیچ»(Admir Masic) و «یانگ شائو هورن»(Yang-Shao Horn) استادان دانشگاه ام‌آی‌تی و با همکاری چهار پژوهشگر دیگر ام‌آی‌تی و «موسسه مهندسی بیولوژیکی ویس»(Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering) ابداع شده است.
خازن‌ها در اصل دستگاه‌های بسیار ساده‌ای شامل دو صفحه رسانای الکتریکی هستند که در یک الکترولیت غوطه‌ور شده و توسط یک غشا از هم جدا شده‌اند. هنگامی که ولتاژ در خازن اعمال می‌شود، یون‌های دارای بار مثبت الکترولیت در صفحه دارای بار منفی جمع می‌شوند و صفحه دارای بار مثبت، یون‌های دارای بار منفی را جمع می‌کند. از آنجا که غشای بین صفحات مانع انتقال یون‌های باردار می‌شود، این جداسازی بارها یک میدان الکتریکی را بین صفحات ایجاد می‌کند و خازن شارژ می‌شود. این دو صفحه می‌توانند شارژ را برای بلندمدت حفظ کنند و سپس در صورت نیاز، آنها را خیلی سریع تحویل دهند. ابرخازن‌ها صرفا خازن‌هایی هستند که می‌توانند بارهای فوق‌العاده زیادی را ذخیره کنند.
مقدار نیرویی که یک خازن می‌تواند ذخیره کند، به سطح کل صفحه‌های رسانای آن بستگی دارد. کلید ابرخازن‌های جدید این گروه پژوهشی، از روش تولید ماده‌ای مبتنی بر سیمان الهام گرفته شده که شبکه‌ای متراکم و به هم پیوسته از مواد رسانا را در خود جای داده است. پژوهشگران برای این کار، کربن سیاه را که بسیار رسانا است، به همراه پودر سیمان و آب به مخلوط بتن افزودند.
آب به طور طبیعی در اثر واکنش با سیمان، یک شبکه از منافذ را در سازه تشکیل می‌دهد و کربن به این فضا انتقال می‌یابد تا ساختارهای سیم‌مانندی را در سیمان سفت‌شده ایجاد کند. سپس، این ماده در یک ماده الکترولیت استاندارد مانند کلرید پتاسیم خیس می‌شود تا امکان حضور ذرات باردار تجمع‌یافته روی ساختارهای کربن را فراهم کند. پژوهشگران دریافتند دو الکترود ساخته‌شده از این ماده که توسط یک فضای باریک یا یک لایه عایق از هم جدا شده‌اند، یک ابرخازن بسیار قوی را تشکیل می‌دهند. دو صفحه خازن، درست مانند دو قطب یک باتری قابل شارژ با ولتاژ استاندارد عمل می‌کنند. هنگامی که آنها به یک منبع برق متصل می‌شوند، انرژی آنها در صفحات ذخیره می‌شود و سپس، جریان الکتریکی برای تامین برق به بیرون برمی‌گردد.
ماسیچ گفت: این ماده جذاب است زیرا پرمصرف‌ترین مواد جهان در آن به کار رفته‌اند. سیمان با کربن سیاه ترکیب شده که یک ماده شناخته‌شده از نظر تاریخی است و «طومارهای دریای مرده»(Dead Sea Scrolls) با آن نوشته شده‌اند. شما این مواد حداقل دو هزار ساله را در اختیار دارید که وقتی آنها را به شیوه‌ای خاص ترکیب می‌کنید، به یک نانوکامپوزیت رسانا می‌رسید و آن وقت است که همه چیز واقعا جالب می‌شود.
ماسیچ ادامه داد: همان طور که مخلوط سفت می‌شود، آب به طور سیستماتیک از طریق واکنش‌های هیدراتاسیون سیمان مصرف می‌شود و این هیدراتاسیون اساسا بر نانوذرات کربن تأثیر می‌گذارد زیرا آنها آب‌گریز هستند. با تکامل یافتن مخلوط، کربن سیاه به یک سیم رسانا متصل می‌شود. این فرآیند با موادی که ارزان هستند و به راحتی در هر نقطه از جهان در دسترس قرار دارند، به راحتی قابل تکرار است. مقدار کربن مورد نیاز برای دستیابی به یک شبکه کربن، بسیار کم و به اندازه سه درصد حجم مخلوط است.
اولم گفت: ابرخازن‌های ساخته‌شده از این ماده، پتانسیل زیادی را برای کمک کردن در روند انتقال جهان به سوی مصرف انرژی‌های تجدیدپذیر دارند. همه منابع اصلی انرژی شامل باد، خورشید و نیروی جزرومدی، خروجی خود را در زمان‌های متغیری تولید می‌کنند که اغلب با نقاط اوج مصرف برق مطابقت ندارد. بنابراین، در اختیار داشتن راه‌هایی برای ذخیره این انرژی ضروری است. نیاز زیادی به ذخیره‌سازی انرژی‌های بزرگ وجود دارد اما باتری‌های موجود، هزینه بسیار بالایی دارند و عمدتا به موادی مانند لیتیوم متکی هستند که عرضه آنها محدود است. بنابراین، ارائه جایگزین‌های ارزان‌تر به شدت مورد نیاز است. اینجاست که فناوری ما بسیار امیدوارکننده می‌شود زیرا سیمان در همه جا وجود دارد.
یکی دیگر از کاربردهای بالقوه ابرخازن‌های کربن-سیمان، ساخت بتن‌هایی است که می‌توانند انرژی تولیدشده توسط پنل‌های خورشیدی را در کنار جاده ذخیره کنند و سپس با استفاده از فناوری مورد استفاده برای تلفن‌های قابل شارژ بی‌سیم، آن انرژی را به خودروهای الکتریکی که در امتداد جاده حرکت می‌کنند تحویل دهند. نوعی سیستم شارژ مجدد خودرو در حال حاضر توسط برخی شرکت‌ها در آلمان و هلند در حال توسعه است اما از باتری‌های استاندارد برای ذخیره‌سازی استفاده می‌کند.
به گفته پژوهشگران، کاربرد اولیه این فناوری ممکن است برای خانه‌ها، ساختمان‌ها یا پناهگاه‌های دور از شبکه برق باشد و برق آنها توسط پنل‌های خورشیدی متصل به ابرخازن‌های سیمانی تامین شود.
اولم خاطرنشان کرد که این سیستم بسیار مقیاس‌پذیر خواهد بود زیرا ظرفیت ذخیره انرژی، یک تابع مستقیم از حجم الکترودها است. وی افزود: بسته به ویژگی‌های مورد نظر برای یک برنامه ویژه، سیستم را می‌توان با تغییر دادن مخلوط تنظیم کرد. برای جاده‌ای که وسیله نقلیه در آن شارژ می‌شود، به شارژ و دشارژ بسیار سریع نیاز است اما برای برق‌رسانی به یک خانه، همه روز فرصت دارید تا آن را شارژ کنید. بنابراین، برای خانه می‌توان از موادی با شارژ کندتر استفاده کرد.
اولم ادامه داد: این در واقع یک ماده چندمنظوره است. علاوه بر توانایی آن در ذخیره انرژی به شکل ابرخازن، از همین نوع مخلوط بتن می‌توان به عنوان یک سیستم گرمایشی استفاده کرد. این کار به سادگی و با اعمال الکتریسیته به بتن حاوی کربن صورت می‌گیرد.
اولم خاطرنشان کرد که این ایده را راهی جدید برای نگاه کردن به آینده بتن به عنوان بخشی از فرآیند انتقال انرژی می‌داند.
این پژوهش، در مجله «PNAS» به چاپ رسید.
انتهای پیام
منبع: ایسنا
کلیدواژه: ابرخازن انرژی تجدید پذیر برق جهاد دانشگاهی گرمای هوا برگزیده ها استانی علمی و آموزشی رباتیک دانش آموزی دنیای هوش مصنوعی جهاد دانشگاهی گرمای هوا ابرخازن ها کربن سیاه دارای بار ام آی تی خازن ها
درخواست حذف خبر:
«خبربان» یک خبرخوان هوشمند و خودکار است و این خبر را به‌طور اتوماتیک از وبسایت www.isna.ir دریافت کرده‌است، لذا منبع این خبر، وبسایت «ایسنا» بوده و سایت «خبربان» مسئولیتی در قبال محتوای آن ندارد. چنانچه درخواست حذف این خبر را دارید، کد ۳۸۳۶۸۷۲۶ را به همراه موضوع به شماره ۱۰۰۰۱۵۷۰ پیامک فرمایید. لطفاً در صورتی‌که در مورد این خبر، نظر یا سئوالی دارید، با منبع خبر (اینجا) ارتباط برقرار نمایید.
با استناد به ماده ۷۴ قانون تجارت الکترونیک مصوب ۱۳۸۲/۱۰/۱۷ مجلس شورای اسلامی و با عنایت به اینکه سایت «خبربان» مصداق بستر مبادلات الکترونیکی متنی، صوتی و تصویر است، مسئولیت نقض حقوق تصریح شده مولفان در قانون فوق از قبیل تکثیر، اجرا و توزیع و یا هر گونه محتوی خلاف قوانین کشور ایران بر عهده منبع خبر و کاربران است.
خبر بعدی:
افزایش انتشار کربن، همچنان یک نگرانی مهم زیست‌محیطی
گزارش آژانس بین‌المللی انرژی در مارس ۲۰۲۳ حاکی از این است که انتشار کربن ۰.۹ درصد معادل ۳۲۱ میلیون تن افزایش یافته و به بالاترین حد خود یعنی ۳۶.۸ گیگا تن رسیده است. از این میزان افزایش، ۶۰ میلیون تن را می‌توان به افزایش تقاضای سرمایش و گرمایش ناشی از تغییرات آب‌وهوا نسبت داد.
به گزارش سرویس ترجمه خبرگزاری ایمنا، پیشرفت بشر در قرن گذشته بدون هزینه نبوده است. هرچند استانداردهای زندگی با حدود ۱۰۰ هزار پرواز روزانه که مسافران را بر فراز آسمان جابه‌جا می‌کنند، ۱.۵ میلیارد خودرو در جاده‌ها و محصولات بی‌شماری که هر روز از کارخانه‌ها خارج می‌شوند، بالا رفته است اما همراه با این افزایش، میزان انتشار کربن جهانی نیز افزایش یافته است.
گزارش آژانس بین‌المللی انرژی (IEA) در ماه مارس سال ۲۰۲۳ حاکی از این است که انتشار کربن ۰.۹ درصد معادل ۳۲۱ میلیون تن افزایش یافته و به بالاترین حد خود یعنی ۳۶.۸ گیگا تن رسیده است. از این ۳۲۱ میلیون تن افزایش دی‌اکسید کربن، ۶۰ میلیون تن را می‌توان به افزایش تقاضای سرمایش و گرمایش ناشی از تغییرات آب‌وهوایی شدید و ۵۵ میلیون تن را به نیروگاه‌های هسته‌ای نسبت داد. بر اساس گزارش مؤسسه ملی علوم بهداشت محیطی، انتشارات حاصل از وسایل نقلیه، تولید مواد شیمیایی، نیروگاه‌های زغال‌سنگ و استفاده از گاز طبیعی برای گرم کردن خانه‌ها منابع اولیه آلودگی هوا توسط انسان هستند که متعاقباً منجر به تشدید پدیده گرمایش جهانی می‌شوند. گزارش‌ها نشان می‌دهد که ۹۸ درصد از جمعیت جهان بین ژوئن تا سپتامبر ۲۰۲۳ در معرض گرمایش جهانی قرار گرفتند.
انتشار گازهای گلخانه‌ای حاصل از نفت تأثیر بسیاری در افزایش آلودگی‌ها داشته و با ۲.۵ درصد معادل ۲۶۸ میلیون تن به ۱۱.۲ گیگا تن در سال ۲۰۲۲ افزایش یافته است. حدود نیمی از این افزایش مربوط به حمل‌ونقل هوایی است که از زمان همه‌گیری کووید -۱۹ اولویت اول افراد برای مسافرت شد.
اقدامات شرکت‌های بزرگ برای کنترل آلودگیچندین شرکت بزرگ در سال‌های اخیر اقداماتی را برای کنترل آلودگی و حفاظت از محیط زیست انجام داده‌اند. برای نمونه شرکت مایکروسافت در سال ۲۰۲۰ اعلام کرد که برای کاهش آلودگی ناشی از پروازهای تجاری کارکنان خود، اعتباراتی برای سوخت پایدار مخصوص هوانوردی برای پروازهای بین سیاتل و سانفرانسیسکو، سن‌خوزه و لس‌آنجلس خریداری می‌کند زیرا سفرهای کاری این شرکت سه درصد از انتشار کربن شرکت در سال ۲۰۱۹ را تشکیل می‌داد.
شرکت آمازون نیز در سپتامبر سال گذشته در فناوری جذب مستقیم ذرات از هوا (DAC) سرمایه‌گذاری کرد که جو را از گازهای گلخانه‌ای پالایش می‌کند. این شرکت اعلام کرد که که طی ۱۰ سال آینده هزینه حذف ۲۵۰ هزار تن کربن را پرداخت می‌کند زیرا معتقد است که این تصمیم به تحقق هدف آن برای انتشار خالص کربن صفر تا سال ۲۰۴۰ کمک خواهد کرد.
شرکت اوبر طرح‌های خود را با نیازهای محیطی هماهنگ کرده است و با هدف تمرکز بر پایداری، در سال ۲۰۱۸ طرح انتقال از تاکسی به اسکوتر و دوچرخه الکترونیکی را ارائه داد و دوچرخه‌های الکترونیکی را در ایالات متحده راه‌اندازی کرد. این شرکت در سال ۲۰۱۹ در یک استارت‌آپ اشتراک دوچرخه و در سال ۲۰۲۰ در یک شرکت اسکوتر برقی سرمایه‌گذاری کرد. پس از راه‌اندازی موفقیت‌آمیز دوچرخه‌های الکترونیکی در اروپا و آمریکای شمالی، در آگوست ۲۰۲۳ وارد بازارهای آفریقا شد.
آژانس بین‌المللی انرژی در گزارش مربوط به میزان افزایش آلودگی در سال ۲۰۲۲، تجزیه‌وتحلیل دقیق و منطقه‌به‌منطقه‌ای روی کشورهای با بیشترین میزان آلودگی انجام داده است که اطلاعات گسترده‌ای در مورد مصرف انرژی، شاخص‌های اقتصادی و آب‌وهوا را در بر می‌گیرد. بر اساس این اطلاعات و با استفاده از دو معیار آلودگی هوا و کیفیت آب، آلوده‌ترین کشورهای جهان به شرح زیر معرفی می‌شوند. لازم به ذکر است که امتیاز هر کشور میانگین امتیاز آن در کنترل آلودگی هوا و کیفیت آب آشامیدنی است.
چاد با امتیاز یک، آلوده‌ترین کشور جهان است. غلظت ذرات معلق در هوای این کشور بالای ۸۹.۷ میکروگرم بر مترمکعب است که در سطح هشدار جدی قرار دارد و همچنین از نظر کیفیت آب به‌عنوان آلوده‌ترین کشور رتبه‌بندی می‌شود.
بورکینافاسو با امتیاز پنج یکی از آلوده‌ترین کشورها در زمینه هوا و آب است و غلظت ذرات معلق در هوای آن به ۶۳ میکروگرم در متر مکعب رسیده است.
پاکستان با امتیاز هفت سومین کشور آلوده جهان است که این رتبه به دلیل غلظت بالای آلاینده‌ها در حد ۷۰.۹ میکروگرم بر متر مکعب در هوا و امتیاز ۱۷.۴ از ۱۰۰ برای آب آشامیدنی و بهداشت است. لاهور یکی از بزرگترین شهرهای پاکستان است که در سال ۲۰۲۲ نیز به عنوان آلوده‌ترین شهر جهان اعلام شد.
نیجریه با امتیاز ۱۰ به دلیل تخلیه زباله‌های خانگی و صنعتی در رودخانه‌ها و نشت نفت به منابع آب، پایین‌ترین رتبه در جهان بعد از چاد را در زمینه کیفیت آب دارد.
در رتبه پنجم، هند با امتیاز ۱۰.۵ قرار دارد و نام آن در میان کشورهایی با خطرناک‌ترین کیفیت هوا به چشم می‌خورد و از نظر کیفیت آب نیز وضعیت خوبی ندارد. در مارس ۲۰۲۳، ۱۲ شهر از ۱۵ شهر آلوده در آسیای جنوبی و مرکزی، شهرهای هند بودند.
رواندا با امتیاز ۱۱.۵ دهمین کشور آلوده جهان از نظر کیفیت آب است و از نظر آلودگی هوا در رتبه سیزدهم بدترین کشورها قرار دارد. طوفان‌های گردوغبار، آتش‌سوزی‌های جنگلی، فوران‌های آتشفشانی و کاهش پارک‌ها، جنگل‌ها و تالاب‌ها از عوامل اصلی چالش‌های زیست‌محیطی پیش روی این کشور هستند.
امتیاز بنگلادش در این فهرست ۱۲ است که به دلیل غلظت بالای ذرات معلق در هوا در حد ۶۵.۸ میکروگرم بر مترمکعب است. بر اساس شاخص زندگی کیفیت هوا در سال ۲۰۲۳، ساکنان بنگلادش به دلیل آلودگی، شاهد ۶.۸ سال کاهش در شاخص امید به زندگی هستند.
سودان به دلیل درگیری‌های مسلحانه، تخریب زمین، جنگل‌زدایی و آلودگی هوا و آب با یک بحران کامل زیست‌محیطی مواجه است و امتیاز ۱۳.۵ از نظر آلودگی دارد.
اتیوپی با امتیاز ۱۴ در رتبه پنجم بدترین کشورها از نظر کیفیت آب قرار دارد. بیش از ۹۷ میلیون نفر در این کشور از بهداشت مناسب بهره نمی‌برند و بیش از ۶۲ میلیون نفر تحت تأثیر بحران آب قرار دارند که معادل ۷.۵ درصد از کل مردم مواجه با بحران آب در جهان است.
رتبه دهم این لیست به اوگاندا با امتیاز ۱۴.۵ تعلق می‌گیرد. طبق گفته سازمان جهانی بهداشت، احتمال مرگ اوگاندایی‌ها در اثر آلودگی هوا دو برابر بیشتر از شهروندان کنیا است.
رضا زرندی رییس کل دادگستری استان خراسان رضوی شد