تطوير شريحة سيليكون لتحويل الحرارة المهدرة إلى طاقة
الأحد - 14 يوليو 2019
Sun - 14 Jul 2019
شريحة السيليكون (مكة)
اكتشف الأستاذ المساعد لهندسة الميكانيكا بجامعة «أوتاة» الأمريكية ماثيو فرانكوير طريقة جديدة لإنتاج مزيد من الكهرباء من الإشعاع الحراري عبر شريحة سيليكون، تعرف باسم «الأداة».
وتحول هذه «الأداة» الإشعاع الحراري إلى كهرباء يمكن استخدامها، ومن شأن الاكتشاف الجديد أن يؤدي إلى إنتاج بطاريات أطول عمرا بكثير للاستخدام في أجهزة الكمبيوتر المحمول والهواتف الخلوية، وأيضا إنتاج ألواح شمسية أكثر كفاءة؛ لتحويل الإشعاع الحراري إلى طاقة.
وأشار موقع «ساينس ديلي» إلى تقديرات بإهدار حوالي ثلثي الطاقة المستهلكة في الولايات المتحدة سنويا في شكل إشعاع حراري، وتشمل الأمثلة على ذلك، محركات السيارات وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف الخلوية وحتى المبردات التي تسخن جراء الإفراط في الاستخدام.
ونشرت الطبعة الأخيرة من دورية «نيتشر نانوتكنولوجي» تفاصيل اكتشاف فرانكوير الجديد، الذي تضمنته ورقة بحثية تحمل عنوان «أداة تحويل الحرارة الإشعاعية القريبة من المجال».
وكان الباحثون في السابق وضعوا «حد الجسم الأسود» وهو حد نظري لكمية الطاقة التي يمكن إنتاجها من الإشعاع الحراري. ولكن فرانكوير وفريقه البحثي أثبتوا أنهم يمكن أن يتجاوزوا هذا الحد بكثير، لينتجوا المزيد من الطاقة من خلال «أداة» تستخدم سطحين من السيليكون قريبين للغاية من بعضهما البعض.
وأنتج الفريق شريحة مربعة من اثنتين من رقائق السيليكون، بطول 5 ملليمترات، بينهما فجوة دقيقة تبلغ 100 نانومتر، أو جزءا من الألف من سمك شعرة الإنسان. وقام أعضاء الفريق بتسخين سطح وتبريد آخر، مما أدى إلى تدفق إشعاع حراري يمكنه توليد الكهرباء. ومفهوم إنتاج الطاقة بهذه الطريقة ليس أمرا فريدا، ولكن فرانكوير وفريقه اكتشفوا طريقة لوضع سطحي السيليكون قريبا من بعضهما البعض في نطاق مجهري، ولكن دون تلامس. وكلما اقترب السطحان من بعضهما البعض، زادت كمية الكهرباء التي يمكن توليدها.
وقال فرانكوير «لا يمكن لأحد أن ينتج إشعاعا حراريا أكبر من الحد الأسود... ولكن عندما نذهب إلى مستوى النانو، نستطيع ذلك».
ويتوقع فرانكوير أنه يمكن في المستقبل استخدام هذه التكنولوجيا، ليس فقط من أجل تبريد الأجهزة المحمولة مثل الهواتف الذكية، ولكن أيضا لتحويل الحرارة إلى بطارية أكثر عمرا، ربما بنحو 50 %.
وتحول هذه «الأداة» الإشعاع الحراري إلى كهرباء يمكن استخدامها، ومن شأن الاكتشاف الجديد أن يؤدي إلى إنتاج بطاريات أطول عمرا بكثير للاستخدام في أجهزة الكمبيوتر المحمول والهواتف الخلوية، وأيضا إنتاج ألواح شمسية أكثر كفاءة؛ لتحويل الإشعاع الحراري إلى طاقة.
وأشار موقع «ساينس ديلي» إلى تقديرات بإهدار حوالي ثلثي الطاقة المستهلكة في الولايات المتحدة سنويا في شكل إشعاع حراري، وتشمل الأمثلة على ذلك، محركات السيارات وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف الخلوية وحتى المبردات التي تسخن جراء الإفراط في الاستخدام.
ونشرت الطبعة الأخيرة من دورية «نيتشر نانوتكنولوجي» تفاصيل اكتشاف فرانكوير الجديد، الذي تضمنته ورقة بحثية تحمل عنوان «أداة تحويل الحرارة الإشعاعية القريبة من المجال».
وكان الباحثون في السابق وضعوا «حد الجسم الأسود» وهو حد نظري لكمية الطاقة التي يمكن إنتاجها من الإشعاع الحراري. ولكن فرانكوير وفريقه البحثي أثبتوا أنهم يمكن أن يتجاوزوا هذا الحد بكثير، لينتجوا المزيد من الطاقة من خلال «أداة» تستخدم سطحين من السيليكون قريبين للغاية من بعضهما البعض.
وأنتج الفريق شريحة مربعة من اثنتين من رقائق السيليكون، بطول 5 ملليمترات، بينهما فجوة دقيقة تبلغ 100 نانومتر، أو جزءا من الألف من سمك شعرة الإنسان. وقام أعضاء الفريق بتسخين سطح وتبريد آخر، مما أدى إلى تدفق إشعاع حراري يمكنه توليد الكهرباء. ومفهوم إنتاج الطاقة بهذه الطريقة ليس أمرا فريدا، ولكن فرانكوير وفريقه اكتشفوا طريقة لوضع سطحي السيليكون قريبا من بعضهما البعض في نطاق مجهري، ولكن دون تلامس. وكلما اقترب السطحان من بعضهما البعض، زادت كمية الكهرباء التي يمكن توليدها.
وقال فرانكوير «لا يمكن لأحد أن ينتج إشعاعا حراريا أكبر من الحد الأسود... ولكن عندما نذهب إلى مستوى النانو، نستطيع ذلك».
ويتوقع فرانكوير أنه يمكن في المستقبل استخدام هذه التكنولوجيا، ليس فقط من أجل تبريد الأجهزة المحمولة مثل الهواتف الذكية، ولكن أيضا لتحويل الحرارة إلى بطارية أكثر عمرا، ربما بنحو 50 %.
