(نانوورك): من بين العديد من مصادر الطاقة المتجددة، فإن الحرارة المهدرة بكميات هائلة من الآلات والأجهزة الإلكترونية لها إمكانات هائلة. ويمكن استعادة هذه الحرارة المهدرة بواسطة ما يسمى بالمواد الكهروحرارية، التي تستخدم الفروق في درجات الحرارة لتوليد الطاقة الكهربائية.
ببساطة، عندما يكون أحد جوانب المادة الكهروحرارية ساخنًا والآخر باردًا، تتراكم شحنة كهربائية على طول تدرج درجة الحرارة حيث يمكن الاستفادة منها مباشرة ككهرباء، بدون نقل الأجزاء كلها. اعتمادًا على نطاق درجة الحرارة وأداء الجهاز، وبالتالي يمكن استخدام الكهروحرارية إما كتقنية تبريد الحالة الصلبة أو كطاقة حرارية.
من الناحية العلمية، ظاهرة التأثير الكهروحراري – نتيجة اختلاف درجات الحرارة إلى تتحول مباشرة جهد كهربائي – يوصف بتأثير “سيبيك*” ويقاس بمعامل “سيبيك” (فولت لكل اختلاف في درجة الحرارة).
في الآونة الأخيرة، لقد أظهر الباحثون أمكانية حصد الطاقة من التبريد الإشعاعي لخلية شمسية في الليل باستخدام مولد كهربائي حراري – مما يعني أن الخلية الشمسية يمكن أن تولد الكهرباء أثناء النهار من ضوء الشمس وأثناء الليل نتيجة فرق درجات الحرارة بين الخلية الشمسية ومحيطها.
في هذا السياق، تم نشر دراسة في دورية “Advanced Materials” عن استراتيجية تصميم مواد مثيرة للاهتمام وجديدة بعنوان: (“إعادة تدوير نفايات السيليكون الكهروضوئية إلى كهرباء حرارية”)**: لقد أشار البحث عن إعادة تدوير نفايات السيليكون من الخلايا الشمسية إلى كهرباء حرارية عالية الأداء.
فيما يتعلق بالمواد، فإن 90٪ من الوحدات الكهروضوئية الحالية مصنوعة من السيليكون البلوري. مع أنّ النظام الكهروضوئي يمكن أن ينتج طاقة خضراء خالية من الانبعاثات لمدة 20-30 عامًا من تشغيله، ففي نهاية عمرها، هناك سؤال حول ما يجب فعله بالخلايا الشمسية غير المستخدمة.
يقدر الباحثون أن نفايات الوحدات الكهروضوئية العالمية ستصل إلى 1.7-1.8 مليون طن (ما يعادل 18 جيجاواط) بحلول عام 2030 و 60-78 مليون طن (ما يعادل 630 جيجاوات) بحلول عام 2050، التي من المحتمل أن تصل إلى نفس حجم النفايات الإلكترونية العالمية. حتى الآن، يتم التخلص من معظم الوحدات الكهروضوئية بطمرها. لكن مع زيادة الحجم بشكل حاد، لن يكون مكب النفايات مستدامًا.
“أدي سووردي”، الأستاذ المساعد في قسم علوم وهندسة المواد في جامعة سنغافورة الوطنية، أخبر نانويرك: “تضيف إستراتيجيتنا لإعادة التدوير قيمة إلى نفايات السيليكون منخفضة القيمة اقتصاديًا، الاكتشاف الأكثر إثارة في عملنا هو أنه باستخدام المنشطات الكيميائية المناسبة، يمكن تحويل نفايات السيليكون إلى كهرباء حرارية عالية الأداء لتجميع الطاقة الحرارية. يعد هذا مناسبا ومهمًا لأن المولدات الكهروحرارية يمكن أن تعمل في الواقع جنبًا إلى جنب مع الخلايا الكهروضوئية إما لزيادة كفاءتها الإجمالية، أو لتوفير الطاقة أثناء الليل “.
يكمن المفهوم الأساسي في هذه الدراسة بأنه في نفس الوقت يتم تسهيل النقل الجيد للكهرباء وبدون إعاقة نقل الحرارة عبر المنشطات الكيميائية ومعالجة المواد. في الأساس، تكون الخلايا الكهروضوئية حساسة عمومًا للشوائب والعيوب بينما تكون الكهروحرارية قادرة نسبيًا لهذه الشوائب والعيوب.
يشرح “سووردي” ذلك: “هذا يرجع إلى طبيعة معظم ناقلات الكهرباء الحرارية، أي أشباه الموصلات المنحلة والمتفسخة، لذلك، عن طريق زيادة التركيز الحامل لنفايات السليكون الكهروضوئية وإدخال مشتتات الفونون، لقد حققنا أداءً كهربيًا حراريًا عاليًا. من الآن فصاعدًا، نتصور أنه بواسطة المنشطات والمعالجات المناسبة، من الممكن إعادة تدوير نفايات أشباه الموصلات الأخرى (بخلاف السيليكون) إلى مواد طاقة قيمة “.
يمكن بعد ذلك استخدام هذه المادة المعاد تدويرها على سبيل المثال لتوليد الطاقة من حرارة النفايات الصناعية أو لزيادة الخلايا الكهروضوئية للحصول على الطاقة الحرارية المحيطة.
تركز العديد من مناهج إعادة التدوير على استعادة المواد الخام والحفاظ على نقاء هذه المواد المستعادة. يختلف هذا العمل الحالي الذي يقوم به الفريق في سنغافورة بمعنى أنه ينقل النفايات مباشرة من فئة واحدة من التكنولوجيا (الخلايا الكهروضوئية) ويحولها إلى فئة مختلفة، وإن كانت مرتبطة بفئة التكنولوجيا (الكهروحرارية).
السؤال المهم هو مدى قابلية نهج إعادة التدوير هذا لجعله مجديًا صناعيًا. يعمل الفريق بالفعل على توسيع نطاق عمليتهم لمعرفة ما إذا كان من المجدي اقتصاديًا إعادة تدوير كمية كبيرة من نفايات السيليكون في أقصر وقت ممكن.
يقول “سووردي”: وهو يتطلع إلى المستقبل: آمل أن يحفز هذا العمل جهودًا مماثلة في مجال إعادة التدوير، لا سيما في إعادة التدوير الإلكتروني (أشباه الموصلات)، في رأيي، فإن النموذج الرئيسي هنا هو حقًا أنه لا ينبغي لأحد أن يكون مقيدًا أو يركز بشكل كبير على استعادة المواد الخام خلال إعادة التدوير، بل معرفة ما إذا كان من الممكن تحويل التكنولوجيا بشكل مباشر (واقتصادي) إلى نوع آخر من التكنولوجيا “.
بقلم مايكل بيرجر – مايكل مؤلف لثلاثة كتب للجمعية الملكية للكيمياء – حقوق النشر © Nanowerk – الترجمة من قبل نادي نانو.
النسخة اﻷصلية للمقال على الرابط: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=60639.php
الهوامش:
*Seebeck
**Upcycling Silicon Photovoltaic Waste into Thermoelectrics
