نانوژنراتور فناوری ای است که انرژی مکانیکی/حرارتی حاصل از تغییرات فیزیکی در مقیاس کوچک را به الکتریسیته تبدیل می کند. این فناوری شامل سه روش برای برداشت انرژی است که شامل نانوژنراتور پیزوالکتریک (PENG)، نانوژنراتور تریبوالکتریک (TENG) و نانوژنراتور پایروالکتریک (PyNG) است. نانوژنراتورهای پیزوالکتریک و تریبوالکتریک انرژی مکانیکی را به الکتریسیته تبدیل می کنند و نانوژنراتورهای پایروالکتریک برای برداشت انرژی حرارتی استفاده می شوند. ایده نانوژنراتور از سال 2006 توسط «ژانگ لین وانگ» و همکارانش معرفی شد که یک نانوژنراتور پیزوالکتریک مبتنی بر نانومیله های اکسید روی بود. اساس کار نانوژنراتورهای پیزوالکتریک مبتنی بر مواد پیزوالکتریک است. مواد پیزوالکتریک موادی هستند که به واسطه فشار مکانیکی، می توانند الکتریسیته تولید کنند که به آن اثر پیزوالکتریک مستقیم گفته می شود. همچنین، این مواد هنگامی که اختلاف پتانسیل الکتریکی به آنها اعمال می شود، تغییر شکل می دهند که اثر پیزوالکتریک معکوس نامیده می شود. تاکنون انواع مختلفی از مواد پیزوالکتریک در ساخت این نانوژنراتورها به کار گرفته شده اند. در سال 2012 نانوژنراتورهای تریبوالکتریک برای اولین بار مطرح شدند و مشابه با نانوژنراتورهای پیزوالکتریک، این تکنولوژی جدید نیز توجه محققان زیادی را برای استفاده از آن به عنوان رویکرد قدرتمند و عملی در برداشت انرژی از محیط به خود جلب کرده است. تریبوالکتریک یک پدیده شناخته شده است که به تولید بار الکتریکی بین دو ماده مختلف وقتی در تماس با یکدیگر قرار می گیرند، اشاره دارد. وقتی دو ماده در تماس با هم قرار می گیرند، پس از جداسازی دو سطح اختلاف پتانسیل الکتریکی ایجاد می شود. برای متعادل کردن اختلاف پتانسیل به وجودآمده، پدیده القای الکترواستاتیک الکترون های موجود در یک الکترود را از طریق بار خارجی به الکترود دیگر منتقل می کند. با ادغام اثر تریبوالکتریک و القای الکترواستاتیک، نانوژنراتورهای تریبوالکتریک اختراع شدند. این نانوژنراتورها برای به کارگیری انرژی مکانیکی محیطی، که همه جا در دسترس است و معمولا در زندگی روزمره هدر می رود، به کار می رود.

یک راهکار کلیدی برای جمع آوری انرژی پاک از اقیانوس حتی به میزان کم، ممکن است در روش تولید الکتریسیته ساکن باشد. اکنون تیمی از محققان در پرتغال با موفقیت توانسته اند از این مفهوم برای ساخت ژنراتورهای کوچک در داخل یک شناور ناوبری استفاده کرده و حسگرها و چراغ هایی را که این شناور برای جمع آوری داده ها و کمک به ملوانان استفاده می کند، تغذیه کنند. اگرچه مقیاس این پروژه تا این لحظه کوچک است ولی محققان می گویند این یک قدم مهم برای اثبات تکنیکی است که می تواند تلاش های موجود برای مهار قدرت امواج و سایر انواع حرکات طبیعی آن را تکمیل کند. اقیانوس ها یک منبع جذاب برای تولید انرژی های تجدیدپذیر هستند. امواج به تنهایی سالانه 32000 تراوات ساعت انرژی طبیعی تولید می کنند و این در حالی است که کل جهان سالانه حدود 23000 تراوات ساعت انرژی مصرف می کند. به علاوه باید قدرت جریان های دریایی، جزر و مد و انرژی حرارتی را نیز اضافه کرد. قابل ذکر است که با وجود چندین دهه تحقیق، مهار حرکت اقیانوس دشوار می نماید. چون الگوهای موج غیرقابل پیش بینی است، آب دریا ماشین آلات فلزی را خورده و انرژی این امواج به طور هم زمان در سه بعد (بالا-پایین، جلو-عقب و چپ-راست) پراکنده می شود. به دلیل چنین چالش هایی، برق خروجی از چندین پروژه خلاقانه و مقیاس بزرگ مرتبط، از پیش بینی ها کمتر بوده است. در چنین شرایطی، محققان پرتغالی روی چیزی کوچک تر و قابل کنترل تمرکز کرده اند؛ یعنی تقویت قایق های ناوبری که غالبا از چراغ هایی برای هدایت قایق ها و حسگرهایی برای نظارت بر شرایط اقیانوس استفاده می کنند. این گروه تحقیقاتی به نانوژنراتورهای تریبوالکتریک یا TENGs روی آوردند که قادرند با استفاده از الکتریسیته ساکن، حرکت اقیانوس را به جریان الکتریکی تبدیل کنند و این چیزی شبیه مالیدن بادکنک به ژاکت پشمی برای ایجاد بار الکتریکی است. در هر هسته ژنراتور TENG دو سطح با مساحت چند سانتی مترمربعی وجود دارد که می توانند به راحتی بار مثبت یا بار منفی داشته باشند. روی این دو سطح روی هم، محققان 10 توپ فولادی ضدزنگ با قطر حدود 12 میلی متر قرار دادند که می توانند آزادانه در اطراف حرکت کنند. وقتی ظرف آنها کج می شود، توپ ها به اطراف خود می چرخند و دو سطح را به هم می مالند. این باعث ایجاد یک بار استاتیک می شود که می تواند به برق تبدیل شود تا باتری را تغذیه کند. «کاتیا رودریگز»، دانشجوی دکترای فناوری نانو در دانشگاه پورتو در پرتغال است و در این باره می گوید: «ما این تجهیزات جدید را ایجاد کردیم که قادرند ریتم و انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل کنند». او هفته گذشته در کنفرانس موسسه فیزیک آمریکا که به صورت آنلاین برگزار شد، در مورد شناور تجهیزشده با این دستگاه های جدید توسط تیم خود ارائه ای داشت. او می گوید: «این دستگاه ها ارزان قیمت هستند. آنها به توان با چگالی بالایی می رسند که راندمان بالایی دارند». «رودریگز» می افزاید: «این ژنراتورهای TENG حتی وقتی امواج کوچک و نامرتب هستند نیز به خوبی عمل می کنند». TENGها می توانند از هر نوع حرکتی، نیرو تولید کنند اما «رودریگز» و همکارانش روی آزمایش انواع ژنراتورهای TENG تمرکز کرده اند تا آنها را برای شرایط خاص حرکت موج، بهینه کنند. در آزمایش های اخیر او و همکارانش می خواستند ببینند کدام گزینه بیشترین میزان برق را به طور مداوم تولید می کند: قراردادن همه توپ ها در کنار هم در یک حوض گرد به شکل یک کاسه کم عمق یا ایجاد «یک مسیر» جداگانه برای هر توپ مانند زمان شنای شناگران روی خطوط استخر. این تیم که در آزمایشگاه هیدرولیک در دانشگاه پورتو کار می کردند، طرح هایی را برای TENGها آزمایش کردند که روی یک شناور در مقیاس یک هشتم از یک شناور واقعی اقیانوس پیما تعبیه شده بودند. آنها این مدل را در یک استخر موج قرار دادند و پنج الگوی متداول موج را که در بندر Figueira da Foz پرتغال رخ می دهد، شبیه سازی کردند. ژنراتورهای TENG توسط یک محقق در سال 2012 در موسسه فناوری جورجیا اختراع شد. «رودریگز» می گوید که مطالعه جدید آنها برای اولین بار است که در شرایط چنین موج واقعی آزمایش می شوند. البته نتیجه نیز موفقیت آمیز بوده است؛ یعنی طراحی TENG با الگوی مشابه شنا روی خطوط استخر توانست حداکثر 230 میکرووات خروجی تولید کند که برای تغذیه دستگاه های کوچکی مانند ایمپلنت های پزشکی کافی است. همچنین این طراحی نسبت به طراحی کاسه کم عمق در شرایط موج های مختلف، انرژی را به طور ثابت و یکنواخت تری تبدیل می کند. «رودریگز» می گوید برق خروجی را می توان با ترکیب چند TENG یا افزودن نانوذرات به سطوح زیر گلوله های فلزی افزایش داد و این باعث افزایش ظرفیت مواد برای جمع آوری بار الکتریکی می شود. «اندرو همیلتون»، رئیس بخش مهندسی موسسه تحقیقات آکواریوم مونتری در خلیج کالیفرنیا است که در این کار جدید مشارکت نداشته است. او می گوید: «ممکن است ژنراتورهای TENG راه حلی برای یک مشکل کلیدی ارائه دهد که این مشکل مانع از توسعه دیگر فناوری های استحصال انرژی از اقیانوس شده است». او در ادامه می افزاید: «اقیانوس یک سیستم پرقدرت و کم سرعت است؛ به این معنی که حاوی مقدار زیادی انرژی است، اما این قدرت به طور گسترده ای توزیع شده است. در نتیجه، ژنراتورهای چرخان سنتی اغلب به انرژی بیشتری نسبت به انرژی موجود در یک تکه کوچک از اقیانوس نیاز دارند و از این جهت سایر تلاش ها برای ایجاد شناورهایی برای استحصال انرژی از امواج به مشکل خورده اند. پروژه شناور مونتری با استفاده از تفاوت حرکت بین سطح آب و سکویی که ده ها تا صدها متر در زیر آن قرار دارد، نیرو تولید می کند. اما برای کار در اعماق زیاد، به یک کابل طولانی نیاز است که از امواج خروشان و جریان های زیر آب آسیب می بیند». در سال 2017 یک شناور ناوبری در هند خود را به یک سیستم ستون آب در حال نوسان، تجهیز کرد به نحوی که امواج به طور متناوب یک محفظه تا حدی غوطه ور را پر و خالی کرده و هوا را به داخل و خارج از ستون می راندند. سپس هوایی که با سرعت در حال حرکت بود یک توربین را برای تولید برق می چرخاند. اما این روش صداهای مهیب و مشکل ساز ایجاد می کرد و دیگر آنکه فقط از حرکت در راستای عمودی موج استفاده می کرد. کوچک بودن اندازه ژنراتورهای TENG به آن کمک می کند تا از هر دو این مشکلات جلوگیری کند. «رودریگز» می گوید فشردگی آن یکی از مزایای آن است و به محققان اجازه می دهد تا TENGها را به راحتی با سایر روش های تولید برق مانند صفحات خورشیدی یا دیگر انواع برداشت کننده های انرژی از موج ترکیب کنند. بر اساس نتایج موفقیت آمیز در آزمایش های انجام شده در استخر موج، محققان قصد دارند نمونه اولیه TENG خود را اصلاح کرده و آن را در یک شناور واقعی در Figueira da Foz نصب کنند. «همیلتون» خاطرنشان می کند که یک آزمایش اقیانوس باز ممکن است چالش هایی را ایجاد کند که نمی توان آنها را در استخر شبیه سازی موج دید. او می گوید: «هر چیزی را که برای استفاده در طول سال در اقیانوس طراحی می کنید، باید آن را برای توفانی طراحی کنید که از نظر آماری هر 100 سال یک بار اتفاق می افتد». او توضیح می دهد که این نوع نگاه به شرایط آب وهوایی اغلب دستگاه را حجیم تر و با مانورپذیری و دوام کمتر می کند زیرا سطح اضافه شده فرصت بیشتری برای سایش و پارگی ایجاد می کند. البته «رودریگز» دلهره ندارد. او می گوید که عملکرد ژنراتورهای TENG را نه تنها در اقیانوس بلکه در دیگر «شرایط سخت»، از جمله هنگامی که آنها در داخل چاه های استخراج آب های زیرزمینی قرار می گیرند یا در زیر کفش دوخته شده اند، در دست مطالعه دارد. این کاربردهای گسترده باعث شده است که او انتظار داشته باشد در آینده TENGها را «در همه جا» ببیند.

از زمان اختراع TENGها، روندها، تاثیرات و استراتژی های تجاری سازی این نانوژنراتورها در مقیاس بزرگ با استفاده از روش های مختلفی مانند کتاب شناسی، تجزیه و تحلیل ثبت اختراع، استخراج فناوری، ارزیابی فنی و اقتصادی و نقشه راه فناوری مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد که توسعه نانوژنراتورها یک فرایند بین رشته ای است و نیاز به تلاش نه تنها در زمینه های علم مواد و فناوری نانو بلکه در علوم کامپیوتر، سیستم های اطلاعاتی، سیاست های عمومی و بسیاری موارد دیگر دارد. بررسی ها نشان می دهد که چین، آمریکا، کره جنوبی، تایوان و ژاپن به ترتیب بیشترین مقالات منتشرشده در این زمینه را دارند. انستیتوی فناوری جورجیا و آکادمی علوم چین کمک های قابل توجهی در توسعه این فناوری جدید داشته اند. نانوژنراتورها در داخل کشور ما نیز مورد توجه محققان قرار گرفته و مقالات مختلفی در این حوزه ها به چاپ رسیده است. همچنین پایان نامه ها و پروپوزال هایی در مقاطع کارشناسی ارشد و دکترا در این زمینه به ثبت رسیده است. دانشگاه های شریف، امیرکبیر، علم و صنعت، تربیت مدرس، صنعتی اصفهان، آیت الله بروجردی، زاهدان، کاشان، سیستان و بلوچستان و دامغان و همچنین موسسات پژوهشی مانند پژوهشگاه نیرو، پژوهشگاه پلیمر و سازمان پژوهش های علمی و صنعتی ایران از مراکز و موسساتی هستند که در زمینه طراحی و ساخت نانوژنراتورها فعالیت داشته اند. همچنین اخیرا چند جلد کتاب نیز در زمینه نانوژنراتورها به زبان فارسی ترجمه شده است.

ScientificAmerican, 10Aug. 2021