پیزوالکتریک، انرژی روز دنیا

ندا اظهری، خبرنگار گروه دانشگاه: تولید انرژی در دنیا به شیوه‌های مختلفی انجام می‌شود. اما در دنیای امروز که وسایل الکترونیکی حرف اول را می‌زنند و دم‌دستی‌ترین وسایل کاربردی ما همگی برقی هستند، این تولید انرژی اهمیت بالاتری پیدا می‌کند. با توجه به اینکه انرژی در بسیاری از کشورها با محدودیت بالایی روبه‌رو است، استفاده بهینه از انرژی‌های موجود و جایگزینی آنها با انرژی‌های جدید می‌تواند به انسان در مهار انرژی و استفاده هرچه بهتر و بیشتر از وسایل برقی کمک کند. در این میان، جدیدترین انرژی که در دنیا مطرح شده، پیزوالکتریک است که کشورهای زیادی در این زمینه ورود نکرده‌اند و تنها مقالات محدودی در این زمینه وجود دارد و محققان ایرانی با همت والایی که به خرج داده‌اند، با حرکت در لبه فناوری دنیا، تا اینجای کار توانسته‌اند با مطالعه مقالات موجود در این حوزه و تحقیقات گسترده‌ای که خود انجام داده‌اند، به دستاوردهای تازه دست پیدا کنند که دستیابی به آنها نه‌تنها می‌تواند وضعیت کشور را از نظر دستیابی به جدیدترین انرژی موجود در جهان بهبود بخشد، بلکه می‌تواند کشور را از نیاز به واردات این انرژی بی‌نیاز کند. تنها مساله‌ای که در این میان وجود دارد، حمایت و توجه به تلاش محققان داخلی است تا بتوانند با به‌کارگیری از دانش و توانمندی‌های خود، دوشادوش دانشمندان جهان حرکت کنند.

علی بداغی، یکی از اعضای هسته پژوهشی دانشگاه آزاد واحد کرج در گفت‌وگو با «فرهیختگان» می‌گوید: «ما در حوزه تولید انرژی به روش‌های نوین که انرژی‌های پاک هستند، فعالیت می‌کنیم. محصولاتی داریم که در زمینه تبدیل انرژی به‌خوبی می‌توانند عمل کنند. یکی از این محصولات «پیزوالکتریک» است. به نوعی، «پیزوالکتریک» نوعی اثر است که از سرامیک‌ها و کانی‌ها، پوست، مینای دندان، تاندون و... گرفته می‌شود. رفتار و خاصیت برخی مواد به‌گونه‌ای است که بر اثر برخورد ضربه به آنها، تولید برق می‌کند و اگر به آنها ارتعاش داده شود، برعکس عمل می‌کند. پیزوالکتریک کاربردهای متعددی دارد، به‌عنوان مثال در گرامافون‌ها، میکروفن‌ها و... مورد استفاده قرار می‌گیرد. او اشاره می‌کند که علم پیزوالکتریک، علم نوینی در دنیاست که اطلاعات زیادی در دنیا وجود ندارد و همه در حد مقاله است اما ما با تلاش خود به روش‌هایی دست پیدا کرده‌ایم که تبدیل انرژی را به‌راحتی انجام دهیم، به این معنا که انرژی الکتریکی را از طریق پیزوالکتریک به انرژی الکتریکی تبدیل کنیم. چنانچه این محصول بومی‌سازی شود، شاهد کاهش واردات انرژی در کشور خواهیم بود. به گفته بداغی، از نمونه کاربردهای پیزوالکتریک می‌توان به حوزه هوافضا یا سیستم‌های نظامی اشاره کرد که از پیزوالکتریک در تامین برق برخی موشک‌ها استفاده می‌شود.
همچنین علی ناصربخت، مدیر پروژه در گفت‌وگو با «فرهیختگان» با ذکر نمونه‌ای دیگر می‌گوید: «عروسک‌هایی که با باتری کار کرده و با فشردن باتری شروع به تولید صدا می‌کنند، این باتری‌ها پیزوالکتریک هستند. پیزوالکتریک رفت‌وبرگشتی است و معکوس هم می‌شود. پیزوالکتریک درواقع موادی است که وقتی به آنها انرژی الکتریسیته وارد می‌شود، ارتعاش پیدا می‌کند و به همین دلیل است که در دیگ‌های بخار یا بخار آب هم از آن استفاده می‌شود و به‌دلیل ارتعاش ریز و زیادی که دارد، آب را سریع به بخار تبدیل می‌کند مانند سیستمی که روی آکواریوم‌های کوچک نصب می‌شود. برعکس این مدل هم عمل می‌کند، به‌طوری‌که اگر به آنها ارتعاش، فشار یا انرژی پتانسیلی وارد کنیم انرژی الکتریسیته ساطع می‌کند. البته هر پیزوالکتریک یک خاصیتی دارد که طبق تحقیقات خودمان متوجه شده‌ایم که بهترین، قوی‌ترین و شناخته‌شده‌ترین مواد اولیه پیزوالکتریک در خاک‌های سرخی است که در کشور خودمان در استان هرمزگان یافت می‌شود. ما حتی تحقیقاتی روی کانی‌های خاک‌های سرخ انجام داده‌ایم و اگر بتوانیم جداسازی انجام دهیم، موفقیت بالایی کسب خواهیم کرد.»

 چرا پیزوالکتریک؟
مدیر پروژه این هسته پژوهشی عنوان می‌کند که این ماده به‌دلیل خاصیت ارتعاشی که دارد، قابلیت استفاده در رآکتورهای هسته‌ای و صنایع نظامی هم دارد. این ماده را حتی می‌توان روی چرخ‌دنده‌ها استفاده کرد و این انرژی تجدیدپذیر است و نابودشدنی نیست، استهلاک بسیار پایینی دارد و درکل، تحقیقات خودمان را تا حد امکان پیش برده‌ایم. شرکت‌های زیادی روی این روش کار کرده‌اند اما به روش‌های قدیمی که روی دینام کار می‌کردند، پیاده‌سازی کرده‌اند اما ما تصمیم گرفتیم این مواد را برای درک راحت‌تر، روی کاشی‌ها پیاده‌سازی کنیم. فرآیندی که در هلند و کشورهای مختلف و به‌ویژه انگلیس انجام می‌شود این‌گونه است که محققان کفپوشی طراحی کرده اند که وقتی افراد روی آن راه می‌روند، برق تولید می‌شود. البته این روش از طریق ژنراتور انجام می‌شود و خود پیزوالکتریک نیست اما برای نمایش قدرت پیزوالکتریک این کفپوش را تولید کرده‌اند.

 تامین برق کشتی با پوشش پیزو
او ادامه می‌دهد ما هم در داخل کشور به‌دنبال آن هستیم که چنین شیوه‌ای را امکان‌پذیر کنیم. ما تحقیقات میدانی و گسترده‌ای را از حدود 9 ماه قبل آغاز کرده‌ و با دانشگاه‌های متعددی صحبت کرده‌ایم و در قالب هسته فناور فعالیت می‌کنیم. در هر زمینه‌ای که بتوان از طریق فشار برق تولید کرد، می‌توان این کار را انجام داد مانند استفاده از چرخ‌دنده‌ها. اگر در قسمت پایینی بدنه کشتی (به اندازه یک وجب در ابعاد دورتادور کشتی) که فشار آب زیادی به آن وارد می‌شود، از پیزوالکتریک استفاده کنیم، فشاری که آب به این قسمت وارد می‌کند، قدرت تولید برق کل کشتی را هم دارد. این خاصیت تاحدی می‌تواند موثر عمل کند؛ اگر به ما این مجوز داده شود تا بتوانیم این سیستم را در ناحیه زیر دست‌اندازهایی پیاده‌سازی کنیم که به‌صورت میخی در زمین فرو می‌روند و به‌راحتی قادرند چراغ‌های قرمز را روشن کنند و تا حد زیادی می‌توانند در مصرف انرژی صرفه‌جویی کنند.

 خانه‌های هوشمند با پاوربانک‌های بزرگ
ناصربخت اظهار می‌کند: «ما ایده‌ای با عنوان smart home خانه هوشمند داریم که می‌توانیم مبدل‌ها یا باتری‌های خیلی بزرگ‌تر از پاوربانک را برای شارژ وسایل و ابزارهای الکتریکی منزل مانند یخچال، لپ‌تاپ، ماشین‌لباسشویی و... داشته باشیم. حتی در منازلی که از پارکت به‌عنوان کفپوش استفاده می‌شود، اگر از چنین فرآیندی استفاده کنیم و به‌صورت سری موازی زیر پارکت و روی آن سیستم نصب کنیم، می‌توانیم از آن برق تولید کنیم. روی این پاوربانک‌های بزرگ می‌توان از پریز استفاده کرد و کل برق منزل را از آن تامین کرد. این ایده همزمان با قطعی برق در سال گذشته به ذهن‌مان رسید و به این نتیجه رسیدیم که این فرآیند بسیار می‌تواند مفید باشد. ما حتی نمونه اولیه‌ای ارائه دادیم، محلول نمونه‌ای را با چسب مخلوط کرده و روی سرامیکی بسیار نازک می‌چسبانیم، به‌طوری‌که آن را با دست روی سرامیک فشار داده و از طریق دو سیمی که وجود دارد، ولتاژ آن را به‌خوبی می‌توانیم اندازه‌گیری کنیم.» مدیر پروژه پیزوالکتریک واحد البرز به «فرهیختگان» می گوید: «این موضوع که استحکام این کفپوش تا چه اندازه قوی باشد و اینکه بهترین پلیمری که از محصولات پیزوالکتریک می‌توان تولید کرد، کدام است، نیاز به تحقیقات و سیستم‌های قوی‌تری دارد که در آزمایشگاه‌ها در دسترس ما نیست و هزینه‌های بسیار بالایی را به خود اختصاص داده‌اند. ما حتی قادریم کیبوردهای کامپیوتر را هم به صورت هوشمند درآوریم که به صورت کاملا مستقل فرآیند تولید برق داشته باشند و حتی نور داشته باشند. این فرآیند را حتی روی موس می‌توانیم پیاده کنیم. حتی این سیستم را می‌توانیم روی چرخ‌دنده‌های ماشین یا لاستیک‌های خودرو از قسمت داخل تعبیه کنیم؛ در سانتریفیوژهای هسته‌ای هم می‌توان چنین سیستمی را راه اندازی کرد. این سانتریفیوژها به خاطر سرعت بالا و حرکت زیاد آب، مولکول‌ها را از هم جدا می‌کند بنابراین اگر سیستم پیزوالکتریک در بدنه داخلی این دستگاه‌ها نصب شود، به راحتی می‌تواند این فرآیند را دو تا سه برابر کند و قدرت انرژی ساطع شده را بیشتر کند. این انرژی برگرفته از طبیعت بوده و کاملا با محیط زیست مرتبط است.»

 تولید برق در لباس سربازان
ناصربخت در تشریح این که درحال حاضر کدام‌یک از کشورهای جهان در زمینه تولید پیزوالکتریک فعال هستند، عنوان می‌کند که بزرگ‌ترین شرکت دنیا که از این انرژی استفاده می‌کند، «پوگان سیستم» انگلیس است که به عنوان نمونه، کفپوش‌های خیابان‌های لندن را به گونه‌ای طراحی کرده‌اند که با راه رفتن روی آنها، انرژی برق تولید می‌شود. از انرژی پیزوالکتریک استفاده‌های دیگری هم می‌شود. این کفپوش‌ها در انگلیس هنوز به مرحله تجاری‌سازی نرسیده و تنها در قالب نمونه به نمایش گذاشته شده‌اند. ما حتی در صنایع نظامی هم می‌توانیم از پیزوالکتریک استفاده کنیم. برخی وسایل که روی بدن به باتری نیاز دارند و لباس و پوششی که سربازان دارند، به‌راحتی می‌تواند از حرکت سربازان برق تولید کند و به این ترتیب، لباس این سربازان برق مورد نیاز برای آنها را تولید می‌کند. ما البته نمونه‌های اولیه‌ای تولید کرده‌ایم.

 ساعت‌های سنگی قدیمی که پیزوالکتریک بودند
او تأکید می‌کند هر جایی که بر اثر فشار یا انرژی پتانسیلی یا فشرده شدن بتوان با استحکام موردنیاز این محصولات را پیاده‌سازی کرد، به راحتی می‌تواند تولید انرژی کرد. ما درحال حاضر هیچ نمونه وارداتی نداریم و تنها به صورت سکه‌ای در قالب باتری‌های سکه‌ای پیزو وجود دارد که برای دیگ‌های بخار، آکواریم‌ها و باتری‌ها استفاده می‌شود. به عبارتی، پیزوالکتریک در کشور قدمت بالایی دارد اما هیچ وقت به‌صورت علمی به آن نگاه نشده است. پدربزرگ‌ها ساعت‌هایی داشتند که معتقد بودند اگر ساعت را روی دست تکان دهید، باتری آنها هرگز به اصطلاح نمی‌خوابد؛ این ساعت‌ها سنگی هستند و در داخل آنها از سنگ کوآرتز استفاده شده است. زمانی که دست را تکان می‌دهید، این سنگ ساییده می‌شود و انرژی تولید‌شده بر اثر همین سایش، انرژی موردنیاز برای کارکرد ساعت را تامین می‌کند، بنابراین ساعت نیازی به باتری ندارد و حتی قادر است نور خود را نیز تامین کند.

 علم دنیا به درد تولید نمی‌خورد
ناصربخت معتقد است درحال حاضر ما می‌توانیم کار حرفه‌ای‌تری را انجام دهیم به شرطی که سوله و تجهیزات لازم را در اختیار ما قرار دهند و حمایت کنند. اگر از ما حمایت هم نکنند ما کار خودمان را پیش می‌بریم اما مدت زمانی که به نتیجه برسیم طولانی‌تر خواهد شد. درحال حاضر روی تولید کفپوش‌هایی هستیم که با راه رفتن روی آن بتوانیم انرژی برق تولید کنیم. ما حتی دکتری پیزوالکتریک در داخل کشور داریم اما همه آنها روی سختی و استحکام مواد کار می‌کنند اما هیچ‌کدام کارایی خاصی ندارند و در حد علم باقی‌مانده است. زمانی که ما تحقیق می‌کنیم، تحقیق بین‌المللی دیگری وجود ندارد که بخواهیم از آن برای پیشبرد تحقیقات‌مان استفاده کنیم و از اینجای کار به بعد باید خودمان تلاش و تحقیق کنیم تا به نتیجه برسیم. علم روز دنیا در حد شناخت مواد پیزوالکتریک و اینکه نمونه اولیه در چه چیزهایی وجود دارد، پیش رفته اما عملا اطلاعاتی که وجود دارد در تولید این انرژی کارایی ندارد و تنها در گروی تجربه حاصل می‌شود و باید آزمون و خطا صورت گیرد تا به نتیجه رسید. ما تاکنون چند نمونه تولید کردیم که بارها با شکست مواجه شده است. درحال حاضر تمام آزمایش‌ها با هزینه‌های شخصی پیش می‌رود و انتظار داریم حمایت‌های بیشتری از ما صورت گیرد تا بتوانیم با سرعت بالاتری به تحقیق و مطالعه بپردازیم.