ساخت آفتابگردان‌های مصنوعی که به سمت نور خم می‌شوند

نویسنده؛ مریم صفدری

جارستان: گل آفتاب‌گردان الهام‌بخش طراحی ساختارهای مصنوعی شده که با داشتن قابلیت گرایش به سمت نور، کاربردهای زیادی در صنایع مختلف خواهند داشت.

وقتی از حداکثر بهره‌برداری از انرژی در ساعات روشنایی روز سخن به میان می‌آید، گیاهان، به لطف تکامل، برتری منحصربه‌فردی دارند. اکنون پژوهشگران صفحات خورشیدی را طراحی کرده‌اند که ازطریق استفاده‌ی هوشمندانه از فناوری نانو، از قابلیت دنبال‌کردن نور در گیاه آفتاب‌گردان تقلید می‌کنند.

دانشمندان با قالب‌ریزی مواد حساس به نور در ساختارهای نازک، ساقه‌های ریزی ایجاد کردند که به‌سمت منبع نور خم می‌شوند و پلتفرم متحرکی را فراهم می‌کند که می‌تواند بهره‌وری حاصل از طیف وسیعی از فناوری‌های خورشیدی را به میزان قابل‌توجهی بهبود بخشد. پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا و دانشگاه ایالتی آریزونا، سیستم خود را سان‌بوت (SunBOT) نامیده‌اند.

ازلحاظ بیولوژیکی، هرگونه حرکت عمومی در پاسخ به تغییرات خاص در محیط با عنوان رفتار تنجشی (nastic behaviour) توصیف می‌شود. گل‌هایی که هنگام طلوع خورشید باز و در موقع غروب بسته می‌شوند، مثال خوبی از این رفتار هستند.

شیمی‌دان‌ها در ساختن مواد تنجشی مصنوعی و ساختارهایی که در پاسخ به تغییرات شدت نور یا نوسان‌های دمایی باز و بسته یا خمیده یا پیچ خورده شوند، مشکل کمی داشته‌اند اما طبیعت رفتار پیچیده‌تری دارد و حرکت موجود زنده را به‌سمت عوامل سودمند و دوری از تهدیدها هدایت می‌کند. این رفتار گرایشی (چرخش به‌سوی نور) که در گل‌های گیاه آفتابگردان دیده می‌شود، به این خاطر است که بخش تولیدمثلی گیاه گرم شود و گرده‌افشان‌ها را به خود جذب کند. این رفتار تعقیب خورشید یا آفتاب‌گرایی احتمالا برای مواردی مانند سیستم‌های خورشیدی فتوولتاییک نیز مفید خواهد بود. حداکثر بازده این سیستم‌ها زمانی حاصل می‌شود که جریان مستقیم و متراکمی از نور خورشید به آن‌ها برخورد کند. ازنظر عملی، در‌مقایسه‌با تابشی که از منبع نوری از بالا بیاید (تابش مستقیم)، نوری که با زاویه‌ی ۷۵ درجه می‌تابد، ۷۵ درصد انرژی کمتری دارد.

مقاله‌های مرتبط:

• چگونه گل‌های آفتاب‌گردان، خورشید را در آسمان دنبال می‌کنند
• دستاوردی بزرگ در مهار انرژی خورشیدی با مواد تازه
• باتری خورشیدی برق را به مناطق دورافتاده و محروم می‌برد

پژوهشگران برای حل مشکل کاهش تراکم انرژی در حالت تابش مورب، ژل‌ها و پلیمرهایی را که ممکن بود دربرابر نور یا گرما پاسخ دهند درنظر گرفتند. تعداد انگشت‌شماری از این مواد، برای بررسی بیشتر انتخاب شدند. در میان مواد مذکور، هیدروژل حاوی نانوذرات طلا، کلافی از پلیمرهای حساس به نور و نوعی الاستومر کریستالی مایع که یک رنگ جاذب نور در آن تعبیه شده بود، وجود داشت. این مواد به شکل رشته‌هایی با عرض یک میلی‌متر و طول چند سانتی‌متر طراحی شدند. نور لیزر بر این ساختارها تابانده شد و ساقه‌های مصنوعی کوچک به‌سرعت در برابر گرمای نور واکنش نشان دادند و به‌سمت نور خم شدند.

پژوهشگران برای آزمایش آفتاب‌گردان‌های مصنوعی خود، مجموعه‌ای از سان‌بوت‌ها را روی هم سوار و آن‌ها را در آب غوطه‌ور کردند و به آن‌ها اجازه دادند که درست در مرز بین هوا و آب قرار گیرند. پژوهشگران سپس، قابلیت برداشت اختراع خود را با اندازه‌گیری بخار آب یعنی میزان نوری که به گرما تبدیل می‌شد، اندازه‌گیری کردند. تغییر در مقدار بخار نشان می‌داد که سان‌بوت در برداشت نور در زاویه‌ی تند، چهار برابر بهتر از سطوح قدیمی مسطح و ساکن عمل می‌کند.

پژوهشگران با نشان دادن اینکه مواد مختلفی می‌توانند به‌عنوان یک ماده‌ی گرایشی عمل کنند، استدلال می‌کنند که دستگاه‌های آن‌ها می‌تواند راه‌حل سیستم‌هایی باشد که در اثر حرکت منبع انرژی دچار افت بازده می‌شوند. به‌عنوان مثال، این ساختارها ازنظر تئوری می‌توانند برای خم کردن هرگونه فرایند خورشیدی به سمت نور استفاده شوند، از سلول‌های خورشیدی کوچک گرفته تا دستگاه‌های تبخیری که آب را تصفیه می‌کنند. به‌گفته‌ی طراحان SunBOT، تنها محدودیت این نوع فناوری، آسمان است. آن‌ها در گزارش خود می‌نویسند:

این رویکرد می‌تواند برای استفاده در برداشت‌کننده‌های خورشیدی پیشرفته، گیرنده‌های سیگنال تطبیقی، پنجره‌های هوشمند، رباتیک خودفرمان، بادبان‌های خورشیدی سفینه‌‌های فضایی، جراحی هدایت‌شده، دستگاه‌های نوری خود تنظیم‌شونده و تولید انرژی هوشمند (برای مثال سلول‌های خورشیدی و سوخت‌های زیستی) و نیز تشخیص و ردیابی انتشار انرژی با تلسکوپ‌ها، رادارها و هیدروفن‌ها مفید باشد.

حتی اگر فقط تعداد معدودی از این پیش‌بینی‌ها در جهان واقعی عملی شود، آینده‌ی مواد گرایشی مصنوعی، روشن به‌نظر می‌رسد.

نتایج این پژوهش در مجله‌ی Nature Nanotechnology منتشر شده است.