نوآوری در انرژی خورشیدی: ذخیره گرما در چوب حتی پس از غروب آفتاب

تحول چوب در سطح نانو برای ذخیره‌سازی انرژی

محققان با بازطراحی ساختار داخلی چوب در سطح نانو، ماده‌ای را توسعه داده‌اند که به‌طور مؤثر نور خورشید را جذب و به گرما تبدیل می‌کند. این نوآوری، یک سکوی چوبی مقیاس‌پذیر و سازگار با محیط‌زیست برای برداشت انرژی گرمایی خورشید به شمار می‌رود.

نقطه آغاز این پروژه، چوب بالسا بود؛ نه به دلیل استحکام، بلکه به خاطر معماری منحصر به فرد درونی آن. چوب بالسا زیر میکروسکوپ شبیه شبکه‌ای از ریزلوله‌ها با عرض ۲۰ تا ۵۰ میکرومتر دیده می‌شود که توانایی هدایت و حفظ گرما را دارند.

فرایند مهندسی چوب برای جذب و ذخیره گرما

چوب خام معمولاً نور را بازتاب داده و آب جذب می‌کند. برای غلبه بر این محدودیت‌ها، محققان ابتدا لیگنین را از چوب جدا کردند. این کار باعث افزایش تخلخل چوب به بیش از ۹۳ درصد و ایجاد شبکه‌ای متراکم از سطوح واکنش‌دهنده در کانال‌ها شد.

این فرایند را می‌توان به خالی‌کردن داخل چوب و تبدیل آن به یک اسفنج متخلخل با حفظ ساختار جهت‌دار تشبیه کرد. سپس، به جای کربنیزه‌سازی، سطوح درونی چوب به روش شیمیایی مهندسی شدند.

دیواره‌های کانال‌ها با صفحات بسیار نازک فسفرین سیاه پوشانده شدند. این ماده قادر است نور خورشید را در طیف‌های فرابنفش، مرئی و فروسرخ جذب و به گرما تبدیل کند. فسفرین، برخلاف کربن، خاصیت ضدآتش دارد، اما پایداری آن در برابر هوا کم است که با یک لایه محافظ این مشکل برطرف شد.

در مراحل بعدی، نانوذرات نقره برای بهبود جذب نور و زنجیره‌های طولانی هیدروکربن برای ایجاد قابلیت آب‌گریزی به چوب اضافه شدند. همچنین، کانال‌های درونی چوب با اسید استئاریک، ماده‌ای با قابلیت تغییر فاز، پر شدند. این ماده با دریافت گرما ذوب شده و انرژی ذخیره می‌کند و با خنک شدن، سفت شده و انرژی آزاد می‌کند.

عملکرد و دوام سیستم جدید

این پایداری منجر به عملکرد قدرتمندتر سیستم شده است. هر کیلوگرم چوب با این روش می‌تواند حدود ۱۷۵ کیلوژول انرژی را با نرخ تبدیل ۹۱.۲۷ درصدی به گرما ذخیره کند. این روش، انتقال گرما را در بافت طبیعی چوب ۳.۹ برابر بهبود می‌بخشد و در ترکیب با ژنراتور ترموالکتریک، حداکثر ۰.۶۵ ولت اختلاف پتانسیل الکتریکی تولید می‌کند.

آزمایش‌ها نشان داده‌اند که این روش دوام بالایی دارد؛ پس از ۱۰۰ چرخه گرم و سرد شدن، عملکرد آن تقریباً بدون تغییر باقی مانده است. این رویکرد نوآورانه می‌تواند راهکاری مناسب برای ساخت سیستم‌های خورشیدی بهینه‌تر در آینده باشد. نتایج این مطالعه در ژورنال معتبر Advanced Energy Materials منتشر شده است.