حرارة الأجهزة قد تصبح مصدرا للكهرباء.. اكتشاف يرفع الأداء 250 مرة | علوم

أنتج فريق بحثي من جامعة “توهوكو” اليابانية، مادة كهروحرارية، يمكنها تحويل الحرارة المفقودة من الأجهزة إلى كهرباء، وذلك بإمكانيات بسيطة للغاية، ودون الحاجة إلى طاقة مرتفعة.

وتنتج الأجهزة الإلكترونية والمصانع والمركبات حرارة يُفقد جزء كبير منها دون الاستفادة منها، وهو ما دفع فرقا بحثية حول العالم إلى تطوير مواد كهروحرارية قادرة على تحويل فرق درجات الحرارة مباشرة إلى كهرباء.

لكن الاستفادة من هذه التقنية تواجه تحديات، من بينها أن بعض المواد عالية الأداء تتطلب عمليات تصنيع عند درجات حرارة مرتفعة، ما يحد من إمكانية دمجها مع الأجهزة والمكونات الحساسة للحرارة.

وفي محاولة لتجاوز هذا التحدي، اتجه الباحثون إلى مادة “نيتريد الكروم”، التي يمكن ترسيبها في صورة أغشية رقيقة عند درجة حرارة الغرفة. غير أن هذه الأغشية عانت من ضعف الأداء الكهروحراري بسبب وجود عيوب في تركيبها الذري، أبرزها فجوات النيتروجين، التي تؤثر في حركة حاملات الشحنة الكهربائية.

وهو التحدي الذي سعى فريق بحثي بجامعة توهوكو اليابانية إلى معالجته، من خلال إضافة كميات صغيرة من التيتانيوم إلى نيتريد الكروم، بما يساعد على تقليل هذه العيوب وتحسين انتقال الشحنات الكهربائية، محققا زيادة في عامل القدرة الكهروحراري بلغت 250 ضعفا مقارنة بالمادة النقية. ونشر الباحثون تفاصيل النتائج في دراسة بدورية “جورنال أوف ماتيريالز كيمستري إيه”.

واختبر الباحثون ظروف تجهيز أغشية نيتريد الكروم المدعم بالتيتانيوم في درجة حرارة الغرفة باستخدام الترسيب بالرش التفاعلي، وهي عملية فيزيائية تعتمد على قذف ذرات من مواد المصدر، مع غاز تفاعلي مثل النيتروجين، لتكوين طبقة رقيقة على سطح آخر، وبهذه الطريقة استطاع الفريق التحكم في كمية التيتانيوم داخل الغشاء، مع إمكانية إجراء الترسيب عند درجة حرارة الغرفة.

وبعد إضافة التيتانيوم، وجد الباحثون تغيرين مهمين، حيث انخفض تركيز حاملات الشحنة، أي عدد الجسيمات التي تنقل الشحنة الكهربائية داخل المادة، وزادت حركة الإلكترونات بنحو 100 مرة تقريبا، كما ارتفعت جودة المادة في تحويل فرق درجات الحرارة إلى أداء كهربائي إلى 250 ضعف قيمته مقارنة بنيتريد الكروم النقي.

ولم يكتفِ الباحثون بدراسة خصائص الغشاء، بل صنعوا نموذجا أوليا لمولد حراري كهربائي يقوم على ركيزة من الزجاج، وعند إحداث فرق في درجة الحرارة بين جانبي المولد، أنتج الجهاز كهرباء.

ووصلت القدرة القصوى المسجلة إلى 455.8 نانوواطا عند فرق حرارة قدره 96 كلفن، أي فرق يقارب 96 درجة مئوية.

نتائج واعدة.. ولكن

وعلى الرغم من هذه النتائج الواعدة، فإنها لا تزال في إطار النموذج الأولي الذي أنتج قدرة قصوى مقدارها 455.8 نانوواطا فقط في ظروف الاختبار المذكورة، لذلك، فإنها لا تعني أن الباحثين أصبحوا قادرين بالفعل على تشغيل أجهزة كبيرة أو تزويد المصانع بالكهرباء من الحرارة المهدرة وحدها، وذلك وفق إفادة أصدرته جامعة توهوكو.

كما أوضح البيان أن إنتاج الغشاء عند درجة حرارة الغرفة لا يثبت وحده أن تصنيع المادة مناسب تجاريا، إذ إن ذلك يتطلب اختبارات إضافية للمتانة والاستقرار والتصنيع على نطاق واسع.

وإذا أثبتت التجارب اللاحقة الجدوى التجارية، فإن التطبيقات التي يعد بها هذا الابتكار عديدة، ومنها الأجهزة الإلكترونية، حيث يمكن استغلال جزء من الحرارة الناتجة عن الشرائح الإلكترونية لإنتاج طاقة كهربائية مساعدة، كما يمكن استغلاله في استعادة جزء من الحرارة المهدرة في المعدات الصناعية، إذا أمكن تركيب الأغشية على أسطح مناسبة وتوفير فرق حراري كافٍ.

وأخيرا، يمكن استخدامه في الأجهزة المرنة وأجهزة الاستشعار، وذلك بتصنيع الأغشية على ركائز حساسة للحرارة، بما يفتح مجالا مستقبليا للأجهزة الصغيرة والأنظمة الإلكترونية المعقدة.