علماء للجزيرة نت: ابتكرنا جهازا عائما يحول قطرات المطر لكهرباء

إن قطرات المطر هي أكثر من مجرد مصدر للمياه العذبة، فهي تحمل أيضا طاقة ميكانيكية تصل إلى الأرض مجانا، وقد دأب العلماء على استكشاف كيفية تحويل هذه الطاقة إلى كهرباء لسنوات، والتغلب على الصعوبات التي تواجهها مولدات الكهرباء التقليدية التي تعمل بالقطرات، وأبرزها الصعوبات في كفاءتها المنخفضة، وثقل مكوناتها، وإمكانية توسيع نطاقها.

ومؤخرا طوّر فريق بحثي من جامعة نانجينغ للملاحة الجوية والفضائية في الصين أسلوبا جديدا لحل هذه الإشكالية في تحويل الطاقة الميكانيكية لقطرات المطر إلى طاقة كهربائية، وذلك بابتكارهم مولد كهرباء عائما يعمل بالقطرات يستخدم الماء الطبيعي كجزء من بنيته، وهي طريقة أخف وزنا وأقل تكلفة وأكثر استدامة لجمع الطاقة النظيفة، وقد نُشر هذا الابتكار في دراسة بدورية "ناشونال ساينس ريفيو".

وبحسب الدراسة، يعيد مولد كهرباء جديد طوره باحثو جامعة نانجينغ للملاحة الجوية والفضائية -والذي يعمل بقطرات عائمة- تعريف كيفية تحويل مياه الأمطار مصدر طاقة نظيفا، وذلك باستخدام الماء نفسه دعامة هيكلية وقطبا كهربائيا.

ويقلل هذا التصميم المتكامل مع الطبيعة من الوزن والتكلفة بشكل كبير مقارنة بالمولدات التقليدية القائمة على المواد الصلبة، مع استمراره في إنتاج جهد عال من كل قطرة.

كما أنه يبقى مستقرا في الظروف الطبيعية القاسية، ويمكن توسيع نطاقه ليشمل أجهزة وظيفية كبيرة، ولديه القدرة على تشغيل أجهزة الاستشعار، والإلكترونيات غير المتصلة بالشبكة، وأنظمة الطاقة الموزعة على البحيرات والمياه الساحلية.

مصدر الصورة

ما هي مولدات الكهرباء بالقطرات؟

يقول الدكتور وي دينغ الأستاذ المشارك في جامعة نانجينغ للملاحة الجوية والفضائية والمؤلف الرئيسي للدراسة في تصريحاته الخاصة الجزيرة نت "تُعرف مولدات الكهرباء بالقطرات بأنها نوع أجهزة تحوّل الطاقة الحركية لقطرات الماء المتساقطة أو المتحركة إلى طاقة كهربائية من خلال التفاعلات المباشرة بين الماء والمواد الصلبة الوظيفية".

ويضيف "تعتمد هذه المولدات على التلامس الكهربائي والحث الكهروستاتيكي الذي يحدث عندما تنتشر القطرات وتتحرك على سطح عازل وتتفاعل مع الأقطاب الكهربائية".

ويوضح دينغ أنه من مولدات قطرات المطر العائم الذي طوره الباحثون هناك نوع آخر يُعرف باسم "حاصدات الطاقة الاهتزازية"، والتي تنقل أولا الطاقة الحركية لقطرات الماء إلى الجزء الصلب، ثم تحوّل الطاقة الميكانيكية إلى كهرباء بواسطة محولات كهربائية ضغطية أو كهربائية احتكاكية أو كهرومغناطيسية.

ويضيف في تصريحاته للجزيرة نت "تستخدم معظم مولدات الكهرباء بالقطرات منصة صلبة وقطبا كهربائيا معدنيا في قاعها، وعندما تصطدم قطرة مطر بالغشاء العازل في الأعلى تُنتج هذه الصدمة إشارة كهربائية".

وعلى الرغم من أن هذه الطريقة قادرة على توليد مئات الفولطات فإنها تعتمد على مواد صلبة ومكلفة، مما يحد من انتشار استخدامها على نطاق واسع، ويتخذ التصميم الجديد نهجا مختلفا، إذ يسمح للجهاز بالطفو على سطح الماء.

وفي هذه التركيبة يعمل الماء نفسه كقاعدة داعمة، كما يعمل كقطب موصل، ويقلل هذا التكوين المتكامل مع الطبيعة وزن الجهاز بنحو 80%، ويخفض التكلفة بنحو 50%، مع الحفاظ على نفس الناتج الكهربائي مقارنة بالأنظمة التقليدية.

وبحسب البيان الرسمي الصادر عن دار نشر العلوم الصينية، فإن إنتاج الكهرباء في مولدات الكهرباء بالقطرات يتم عندما تهبط قطرة مطر على الغشاء العازل للمولد العائم في الماء، كما يوفر الماء الموجود تحته القوة اللازمة لامتصاص الصدمة بفضل عدم انضغاطه وتوتره السطحي، وهذا ما يتيح للقطرة الانتشار بفعالية أكبر على السطح في الوقت نفسه، وتعمل الأيونات الموجودة في الماء كحاملات شحن، مما يسمح لطبقة الماء بالعمل كقطب كهربائي موثوق.

وتمكّن هذه التأثيرات المجتمعة المولد العائم من توفير جهد ذروة عال يبلغ نحو 250 فولطا لكل قطرة، وهو مستوى أداء يضاهي الأجهزة التي تعتمد على مكونات معدنية وركائز صلبة.

مصدر الصورة

تطبيقات الاكتشاف الجديد

ووفقا لما ورد في البيان الرسمي الصادر عن دار نشر العلوم الصينية، فإن هذا الابتكار ليس مجرد تجميع الطاقة من مياه الأمطار فحسب، فنظرا لأن المولد يطفو طبيعيا على سطح الماء يمكنه دعم أنظمة الرصد البيئي في بيئات مائية متنوعة، بما في ذلك أجهزة استشعار جودة المياه وملوحتها وتلوثها، خاصة في المناطق التي تشهد هطول أمطار متكررة، حيث يمكن أن توفر هذه التقنية مصدرا موزعا للطاقة النظيفة لشبكات الكهرباء المحلية أو تلبي احتياجات المناطق غير المأهولة بالشبكة.

ويقول دينغ في تصريحاته للجزيرة نت "نرى إمكانيات كبيرة لتطبيق هذه المولدات العائمة والتي تعمل بالطاقة الشمسية الكهروضوئية يمكن تطبيقها على البحيرات والمحيطات لتشغيل أجهزة الاستشعار اللاسلكية وعُقد إنترنت من خلال النشر واسع النطاق".

كما يمكن نشر مولدات الطاقة الشمسية الكهروضوئية على المسابح في الشتاء لتوفير الكهرباء اللازمة لصيانة المسابح، حيث تكون المسابح خاملة في الأيام الباردة وتحتاج إلى مضخات تصريف.

وبالإضافة الى ذلك، فإن نهج "التصميم المتكامل مع الطبيعة" -الذي يستخدم مواد طبيعية وفيرة كالمياه مكونات أساسية- قد يلهم التطورات المستقبلية في مجال التكنولوجيا المستدامة، وقد يساعد التكامل مع أنظمة الطاقة المتجددة الأخرى مثل الطاقة الشمسية العائمة في إضفاء صفة الواقعية على استخدام تقنيات توليد الطاقة من الشمس.

تحديات تستحق الدراسة

وبشأن التحديات التي تواجه هذا الابتكار، يقول الدكتور دينغ إن هناك عددا من التحديات التي تواجه الابتكار الجديد التي تجب معالجتها، ولعل أبرزها من الناحية الفنية تحسين الأداء الفعلي، حيث تختلف قطرات المطر في الحجم والسرعة، مما سيؤثر على إنتاج مولد الطاقة الشمسية الكهروضوئية، وهذه مشكلة تواجه جميع مولدات الطاقة الشمسية الكهروضوئية أو حتى جميع آلات حصاد قطرات المطر.

وإلى جانب ذلك، يشير دينغ إلى أنه يجب تحسين المتانة والمتانة تحت الأمواج والرياح، ويجب إدارة التلوث السطحي طويل الأمد.

وبما أن مولدات الطاقة الشمسية الكهروضوئية تُصدر إشارات كهربائية فإن تحسين الدائرة الكهربائية ضروري لزيادة كفاءة التحويل وإدارة الطاقة، بحسب تصريحه للجزيرة نت.