ספרות מהבהבות המופיעות ע”ג מסך LCD (צגי גביש-נוזלי) לרוב מצביעות על כך שיש צורך לכוון את השעון של ההתקן. אולם, במעבדה באוניברסיטת Georgia Tech הבהוב הספרות ע”ג צגים זעירים מצביע דווקא על הצלחתו של מאמץ מרובה-שנים להפעיל התקנים אלקטרוניים נפוצים ע”י ננו-גנראטורים המנצלים אנרגיה מכאנית שמקורה מהסביבה תוך שימוש במערך של ננו-חוטים דקיקים.
במקרה הנדון, האנרגיה המכאנית נובעת מלחיצה על ננו-גנראטור הממוקם בין שתי אצבעות, אולם היא עשויה לנבוע גם מפעימת לב, מפסיעות רגליו של מטייל ע”ג שביל, מהנפנוף של חולצה, או מהתנודה של מכונה כבדה. למרות שננו-גנראטורים אלו לעולם לא יצליחו להפיק מספיק חשמל עבור מטרות רגילות, הם יוכלו לשמש להפעלת ננו- ומיקרו-התקנים, ואפילו להטעין מחדש קוצבי לב ואייפודים.
ננו-הגנראטורים מבוססים על התוצא הפיאזואלקטרי המתרחש בחומרים גבישיים כגון תחמוצת אבץ, ואשר בו מתקבל פוטנציאל של מטען חשמלי כאשר מבנים המורכבים מחומר כזה מכופפים או נלחצים. באמצעות לכידת ושילוב המטענים מתוך מיליוני חוטים של תחמוצת אבץ זו, החוקרים הצליחו להפיק כמות של שלושה וולטים – ועד כדי 300 ננו-אמפרים.
“ע”י פישוט העיצוב שלנו, כך שיהפוך ליציב יותר, וצבירת התרומות מננו-חוטים רבים עוד יותר, הצלחנו להגביר את תפוקת הננו-גנראטורים שלנו כך שיוכלו להפעיל התקנים חשמליים מסחריים כגון צגי LCD, דיודות פולטות אור (LED) ודיודות לייזר,” אמר החוקר, פרופסור למדעי החומרים ולהנדסה. “אם נוכל לשמר את קצב השיפור הזה, נוכל להגיע ליישומים מעשיים יותר בהתקני רפואה, רכיבי אלקטרוניקה אישיים או לשם ניטור הסביבה.” שיפורים מעודכנים בננו-גנראטורים אלו, כולל שיטת ייצור פשוטה יותר, דווחו בכתב העת המדעי Nano Letters.
ננו-גנראטורים של תחמוצת אבץ מוקדמים יותר הורכבו מננו-חוטים “שהוצמחו” ע”ג מצע קשיח ואשר הגיעו לאלקטרודת מתכת. גרסאות מאוחרות יותר חיברו את שני קצוות ננו-החוטים לפולימר והפיקו חשמל באמצעות כפיפתם הפשוטה. בלי קשר לתצורה הסופית, ההתקנים מחייבים “הצמחה” זהירה של מערכי ננו-חוטים וארגון דקדקני שלהם.
במאמרם האחרון, החוקרים דיווחו על שיטות ייצור פשוטות יותר. ראשית, הם הצמיחו מערכים של ננו-חוטים מסוג חדש שהיו בעלי צורה של חרוט. חוטים אלו נעקרו מהמצע עליו הם צמחו והוכנסו לתמיסת כוהל. תמיסה זו טופטפה לתוך אלקטרודת מתכת דקיקה ויריעה של שכבת פולימר גמיש. לאחר התנדפותו של הכוהל, הוספה שכבה חדשה. בשיטה זו נערמו שכבות מרובות של ננו-חוט/פולימר לקבלת חומר מרוכב באמצעות תהליך שהחוקר הראשי מאמין שיוכל להפוך לתהליך תעשייתי.
כאשר מכופפים את “כריכי” ננו-החוטים הללו, שגודלם 2 סמ”ר, הם מסוגלים להפיק חשמל בכמות שמספיקה להפעיל צג של מחשבון כיס.
החוקר הראשי טוען כי ננו-הגנראטורים קרובים עתה להפיק מספיק חשמל להפעלת מערכות באופן עצמאי שתוכלנה לנטר את הסביבה לגילוי גזים רעילים, לדוגמא, ואז לשדר אות התראה. המערכת תכלול קבלים שיוכלו לאחסן את המטען המועט עד שיצטבר מספיק חשמל לשליחת מידע החוצה.
למרות שהתפוקה של הננו-גנראטורים הקיימים היום עדיין מתחת לרמה הנדרשת להפעלת התקנים כאייפוד או קוצבי-לב, החוקר הראשי מאמין כי ניתן יהיה להגיע לרמות אלו תוך שלוש עד חמש שנים. ננו-הגנראטורים דהיום, מציין החוקר, עוצמתיים כמעט פי מאה מאלו שקבוצתו פיתחה רק לפני שנה.
9 תגובות
היתוך קר, נכון להיום, מהווה אתגר גדול, אבל כפי שכבר אמרתי בתגובות שלי – זה התהליך הכי אפקטיבי לייצור אנרגיה שידוע לנו.
ולגבי ההערה שלך “לא לנסות את זה על כדו”א” – אז זה נשמע מאוד בסגנון של המתנגדים לניסויים שנערכים במאיץ החלקיקים LHC ב- CERN… כמובן שננסה את זה על כדוה”א! איפה עוד יש לנו אפשרות? 😛
הבסיס של הרעיון שלך זה למעשה ייצור אנרגיה מהטמפ’ של החומר. יש לזה כבר יישום:
http://en.wikipedia.org/wiki/Thermoelectric_effect
דבר מאוד שימושי אפשר להשתמש בו גם כדי לחמם/לקרר ע”י מקור חשמל או להפך -> להפוך חום בחזרה למקור חשמל! והנה עוד רעיון, תוסיף את זה לקולטים סולרים…
כמו כן, אני ממליץ לך לחפש חומר על תחנת כח גרעינית ואולי גם על היתוך קר – ואני ממליץ לך לא לנסות את זה על כדו”א.
אוהו, תגובה מושקעת, תודה, אני אקרא שוב מחר כי זה דורש מאמץ !
מניסוח התגובה שלך אני מנחש שאתה לא חושב שיש סיכוי ממשי להגיע למשהו..ואם לא, האם היית מוכן להמשיך דרך המייל ?, ומי יודע אולי בכל זאת בניגוד לכל הסיכויים תבוא איזו הברקה או יתגלה משהו שאחרים פיספסו וזה בדיוק יתאים למה שצריך !
לגבי מבנה החומר.
טוב, זה קצת מסובך להסביר… אז נלך בשיטה בקלאסית ונדמה את האטומים לכדורים (בצבעים וגדלים שונים כדי להבדיל בין היסודות). בגז אז כל הכדורים טסים לכל כיוון בצורה אקראית לחלוטין, מתנגשים זה בזה ותפזרים לכל הכיוונים (כמובן כיוון אחד בכל התנגשות). בנוזל, אז הדימוי הכי נחמד שיש לי זו בריכת כדורים שילדים משחקים בה.
עכשיו מוצק, פה יש כבר מבנים מסויימים שהחומר נוהג להסתדר בהם והבסיסיים ביותר הם סריגי ברווה (http://en.wikipedia.org/wiki/Bravais_lattice). איתם יהיה לך קל להבין מה קורה במוצק. אבל אני חייב לציין שבד”כ העיניינים מסובכים יותר במציאות. הנה מקור שיוכל להסביר לך טיפה על הנושא עם הדגמות ותמונות: http://departments.kings.edu/chemlab/animation/index.html
עכשיו, לגבי איזור חיתוך ומה קורה בשפת החומר בכללי, אז פה התיאוריה של סריגי ברווה (שההנחה היסודית שלה שהסריג נראה בדיוק אותו הדבר ואינסופי לכל כיוון שתסתכל מכל מקום שתסתכל בתוך הסריג) קצת נכשלת. מן הסתם, בגלל שהשפה לא אידאלית היא לא תהיה “חלקה לחלוטין”; כלומר לא תראה מישור של “כדורים” אם תסתכל מהצד, אלא גבעות ובורות. וכשאתה חותך בכל צורה שהיא, לאטומים ולאלקטרונים לא קורה כלום. אתה לא יכול לפרק אותם (אלא אם אתה עושה ביקוע של הגרעין… שזו לא הבעיה כאן).
עכשיו לגבי האלקטרונים, פה כבר צריך להציב את האטומים שלנו חזרה במקום הכדורים והם בעצם שם, מסביב לאטומים שלהם. הקשורים יותר נעים בקרבת האטום שלהם, הפחות קשורים נעים לאורך הקשרים שהם יוצרים על האטומים השכנים (קשרי סיגמה ופאי) ויש כאלה שיטיילו בכל הסריג (לאורך הקשרים הכימיים שהזכרתי) – אבל כמו שאמרתי, הזרם שיוצר אלקטרון אחד מבוטל ע”י אלקטרון אחר. אתה צריך להבין שכמות האטומים והאלקטרונים היא עצומה, ולכן, סטטיסטית יוצא 0.
מעבר לזה? האלקטרונים לא יפגינו התנהגות מיוחדת. או מה חשבת/ציפית שיהיה?
הזרם החשמלי באמת נישא ע”י האלקטרונים החופשיים, רק שהם יוצרים את הזרם כשהם נעים, ולא עושים “שק-קמח” למטען החשמלי. כמו שאמרתי כבר, המים בצינור מורכבים ממולקולות מים שזורמות בכיוון מסויים ויוצרות את מה שאתה קורא לו זרימה של מים. עכשיו דמיין שהתיל החשמלי שלך זה צינור עבור האלקטרונים, והם זורמים בו בכיוון מסויים ויוצרים, בצורה זהה לחלוטין, את הזרם החשמלי.
נקודה חשובה היא שהחומר, כשאתה מסתכל עליו מנקודת מבט של אלקטרון, הוא ריק ממש. אין שם כלווווום! מה שאתה מרגיש כחתיכת ברזל מוצקה ודחוסה זו תוצאה של רזוליציית התסכלות נמוכה והכוחות שפועלים בחומר, ככה שנוצר הסריג היציב והקשה.
השדה החשמלי (המדובר) נוצר ע”י כוחות דחייה חשמליים – אם, למשל, תמקם בקצה אחד של מוט מוליך ניטרלי כמה מטענים חשמליים ובקצה השני כלום, אז בגלל שיש פחות לחץ של השדה החשמלי מהצד הלא טעון, המטענים, באופן טבעי, יעדיפו לעבוד לשם ובסופו של דבר להתפזר בצורה הומוגנית על המוט (ובגבולות המוט, משום שהם לא יכולים לצאת ממנו).
השדה החשמלי פועל באופן זהה הן לגבי האלקטרונים החופשיים, והן לגבי האלקטרונים הקשורים.
אם נגיד יש לך בעיה מסויימת, והיית רוצה לדעת את השדה החשמלי במערכת, אז אתה יכול למצוא אותו, לדוגמה, רק מהתפלגות המטען במרחב (במידה ויש לך אותה).
אמחיש לך את זה ככה: אם אתה אלקטרון בסריג, אתה מרגיש בעיקר את השדות של הסביבה הקרובה שלך, ומה שמעבר לסביבה הקרובה שלך זה שדה רקע, שבקירוב טוב הוא קבוע – ואם הוא קבוע ומופעל מכל כיוון אז הוא מתבטל. לא ממש עקרוני איך אנחנו מגדירים את הסביבה הקרובה… נגיד שאלה האטומים הכי קרובים לאטום שלך ומעבר לזה, זה כבר רחוק.
אז אתה, אלקטרון, חש בשדה החשמלי של גרעין האטום שלך, של האלקטרונים מסביב להאטום שלך, ובשדות של האטומים השכנים (גרעינים ואלקטרונים). יש להעיר שקיים סיכוך* השדה החשמלי, של האלקטרונים את הגרעין מצד האטומים השכנים, וגם באטום שלך – תלוי במקום המצאותך סביבו. אבל בגלל שאלה דברים כה קטנים וכאותיים, אנחנו נעבוד עם הפרעות קטנות בשדה הכמעט ניטרלי הזה…..
עכשיו אתה מבין כמה גורמים יש לך לשדה חשמלי שמרגיש אלקטרון בודד בסריג, ודיברתי רק על השדה החשמלי, כשיש עוד גורמים אחרים…
התמונה מסובכת, כפי שאתה יכול לראות (כשמסתכלים על הבעיה בצורה הנ”ל), והיא תסתבך עוד יותר אם למשל תרחיב את הסביבה הקרובה – הרי אתה מגדיר אותה בתור אחד שפותר את הבעיה.
* סיכוך – כאשר ענן האלקטרונים מסביב לגרעין יוצר הפרעה בשדה הגרעין, ולמעשה מחליש אותו, עקב הסימן ההפוך במטענים שלהם.
שוב קלעת למה שאני צריך D.P!
אני מתייחס לכתבה רק בהקשר של הרעיון שלי, וברור לי כי הלחיצה או המעיכה של הננו-גנרטורים היא אנרגיה שהם מתרגמים להפקת חשמל..אני כמובן מכוון לדבר אחר כפי שהבהרתי על כל מוזרותו ואולי חוסר סיכוייו אבל כאמור אני רק בהתחלה ולא לוקח את עצמי ברצינות תהומית אלא בוחן ובודק ובמידה ויש משהו אז אני אשקיע מאמץ רציני!
בקשר לשאלתך למדתי אדריכלות בנין ולא עסקתי בה אבל זה משפיע על צורת החשיבה שלי שזה אומר התייחסות לארגון פונקציונלי במרחב של כל הקיים בצורה הסטטית שלו..אני לקחתי את זה עוד צעד אחד ואני משתמש בזה לסדר פונקציונלי דינמי, כי הדברים זזים או מוזזים אם זה לא מוזיאון ולכן העיצוב בפועל ייראה שונה מהמתוכנן!
קל לי יחסית לדמיין מרחב והמצוי בו, ובהקשר הזה התחלתי לחשוב על מבנה החומר ולשאול באופן טיבעי האם גרעיני החומר קבועים במקומם? ומה קורה במצב נוזלי של אותו חומר ? גרעיני החומר בוודאי משנים מיקום ובכל זאת המאפיינים לא משתנים.
ומה קורה כאשר חותכים את החומר מה קורה לאלקטרונים באיזור החיתוך? גם מה קורה בפני החומר בהקשר לפעילות האלקטרונים ?
אלה כיווני החשיבה שלי באופן כללי !
חשיבה מרחבית במסגרת שנוצרת ממהות הדברים ואח”כ כניסה לתוך הפרטים אם נוצר עניין וכו…האמת שהופתעתי מזה שכתבת שהאלקטרון לא נושא עליו מטען חשמלי אלא הוא עצמו המטען החשמלי, ושדות חשמליים המ המניעים אותו, כי קראתי שהזרם החשמלי מוסע ע”י האלקטרון החופשי !
בעצם את כותב שהאלקטרונים החופשיים נעים לכל הכיוונים (את זה פיספסתי) רק שהם מבטלים אחד את השני עד שהשדה החשמלי יוצר כיוון זרימה מועדף….אז בעצם מה שהייתי צריך להתרכז בו הוא דימוי השדה החשמלי (בלי קשר האם זה אפשרי או לא) לגבי האלקטרונים החופשיים, וזה אומר שאני צריך לדעת את המאפיינים של צורת השדה החשמלי ..ומכאן להחליט האם אני ממשיך לעסוק בזה או ממשיך הלאה !!
אז עוד שאלה אחת D.P , האם יש מאפיינים לשדה החשמלי אשר לו מגיבים האלקטרונים החופשיים?
ושוב תודה על התשובות המכוונות אותי לדבר עצמו!
אני שמח שיכלתי לעזור. אם אפשר להתעניין, אדריכלות של מה בדיוק?
ו.. מדבריך עולה שלא הבנת מה הוא האלקטרון… כשאתה מדבר על זרם חשמלי אלה בעצם האלקטרונים שנעים בתווך איתו אתה עובד והם מהווים את הזרם (בדיוק כמו מולקולות של מים שזורמות לך מהברז כשאתה פותח אותו). אז אתה לא יכול להלביש מטען על האלקטרונים כי כבר יש להם מטען והוא יחיד וזהה לכולם. אתה גם לא יכול ליצור מטענים חשמליים כשם שאתה לא יכול ליצור חומר יש מאין (אלא אם יש לך הרבה מאוד אנרגיה שמסוגלת להפוך לחומר… אבל זה לא הנושא, וגם אז יש לך שימור מסה-אנרגיה). לכן, אם אתה רוצה חומר רווי באלקטרונים (או שיש גם את הגרסה ההפוכה, חומר הרווי ב”חורים”, שהם בעצם מקומות בהם חסר אלקטרון) – אז זה מוליך למחצה, או סתם מתכת בעלת מוליכות טובה שבה יש לך אלקטרונים מספיק חופשיים בקליפות החיצוניות. במוליכים למחצה יש חופש של חומרים (בערך), אבל אתה לא חופשי לחלוטין בקביעתך את “הצורה” והחומרים.
מה שמסיע את האלקטרונים זה שדה חשמלי, שאתה יכול ליצור על ידי הפרשי מתח – וזה בעצם מעניק לאלקטרונים את האנרגיה שלהם. לחילופין אתה יכול להעניק להם אנרגיה ע”י אור, כפי שאמרתי בתגובה הקודמת (שזה עדין שדה אלקטרומגנטי רק שלא יהיה להם כיוון תנועה מועדף), ואם לא תעשה איתם כלום אז הם יפלטו חזרה את האנרגיה העודפת שהענקת להם ויחזרו למצב היסוד שלהם.
לגבי אלקטרונים חופשיים, אז הם תמיד בתנועה, רק שהתנועה היא בכל הכיוונים, ולכן יוצא שסך כל האלקטרונים מבטלים את הזרם שהאחרים יוצרים. כאן נכנס לתמונה השדה החשמלי שיוצר כיוון זרימה מועדף.
אז ……. אתה לא יכול להרכיב על האלקטרון מטען חשמלי כי הוא עצמו יחידת המטען הבסיסית (בהקשר הזה).
מה שמדובר עליו בכתבה, זה שאתה כן משקיע אנרגיה כדי להפיק זרם. פשוט במקום שחלק מסויים מהאנרגיה שאתה משקיע בפעולה כלשהי ילך לאיבוד, יש את הננו-גנרטורים שימירו (חלקית) את העודפים למשהו שימושי יותר.
תודה על התגובהD.P, היא בדיוק מה שרציתי!
אני בא מתחום האדריכלות והחשיבה בהתאם, החשיבה הראשונית בעניין היית לעקוף בכלל את הגנרטור ולגשת ישר לתוצאה שהיא המטען החשמלי! חשבתי שאם אדע מה הם מרכיבי המטען החשמלי אוכל ליצור אותו בתוך החומר בדרך של הרכבה כמו שמייצרים מוצר במפעל..חיפשתי באינטרנט מה מסיע את המטען והתברר כי את העבודה הזאת עושה האלקטרון החופשי (בשבילי מושג עמום מהעבר) שמ”מרכיב” אותו עליו ומסתובב איתו בתוך המוליך או החומר, אבל התברר כי האלקטרון החופשי בניגוד למה שציפיתי יכול להיות במנוחה עד שמזיזים אותו ואני צריך אותו בתנועה…דמיינתי (זה הכי זול) ננו מבנה בצורה גיאומטרית מתאימה דרכה יעבור האלקטרון החופשי..שם יורכב עליו המטען החשמלי ע”י חומרים שונים שיפיקו כל אחד את החלק הדרוש (בהנחה שהמטען החשמלי מורכב מכמה רכיבים ולא מהווה יחידה אחת) ..וכך אחרי השלמת ההרכבה האלקטרון יצא מהצד השני נושא עליו מטען חשמלי !
מכאן קפצתי לאלקטרונים המקיפים את גרעין האטום גם כדי להבין איך העסק עובד ראיתי כמה סרטי אנימציה ביוטיוב ומשם עלו כמה כיוונים לביצוע ניסויים שכמובן בלעדיהם זה רק דיבורים.
האמת שמהתחלה הבנתי כי יהיה מסובך להיכנס לתוך החומר ולמקם רכיבים שונים, אבל חשבתי שאני קובע באיזה חומר ובכמה חומרים להשתמש בכל שלב אני שולט על הצורה וכך למעשה יש לי חופש משחק מסויים לפני שאני מרים ידיים ועוזב את הנושא..מה גם שרק התחלתי לחשוב בכיוון הזה (משהו כמו חצי שנה, כאשר ההתעסקות שלי בנושא עצמו גזלה לא יותר מעשר שעות כולל) כך שכל העסק טרי אצלי..אני עדיין בשלב הגישושים ולכן התאימה לי מאד תגובתך.
איך בדיוק אתה מתכוון לנצל את תנועות האלקטרונים? התנועה של האלקטרון סביב הגרעין זה לא כמו שמראים בד”כ לטלוויזיה, כאילו הם הלוויינים של הגרעין, אלא משהו הרבה יותר כאותי (ראה אורביטלים, שאלה בעצם פונקציות התפלגות ההסתברות של המצאות האלקטרון סביב הגרעין – http://chemlinks.beloit.edu/Stars/images/orbitals.jpg). כך שכדי לנצל את האנרגיה שלהם צריכה להיות לך גישה מעניינת לעניין, שתוכל בכלל לגשת לאלקרונים הקשורים… (אז “איך?” זו שאלה מעניינת)
וזרם חשמלי זה אלקטרונים שנעים בסריג של המוליך שלך… כך שאם אתה רוצה להעניק לאלקטרונים, שיהוו את הזרם, אנרגיה, אתה צריך לקחת אותה מהאלקטרונים הקשורים (כפי שאמרת) – וזה יתאפשר רק אם התווך שלך נמצא במצב מעורר, אחרת (מעיקרון פאולי) לא תוכל לבצע זאת (כי האטום כבר נמצא במצב היסוד שלו – כלומר במינימום אנרגיה שלו); האלקטרונים פשוט יסרבו לתת לך את האנרגיה שלהם.
אז נגיד ויש לך מוליך למחצה מסוג שלילי (n-typed), עם אלקטרונים “מיותרים”, ואתה מעורר את התווך שלך בעזרת… לייזר? (כי התקנים במצב מוצק עוברים לפי (הפרשי) רמות קוונטיות של האלקרונים במערכת ולא אחרת.) אז יוצא שאתה עדיין משקיע אנרגיה ולא השגנו כלום… וזה בעצם ממש דומה לאפקט הפוטואלקטרי ככה שאין פה כל חדש.
לפי הרעיון שלך, אתה רוצה “לשאוב את הנשמה” של החומר כדי להשיג אנרגיה, וצריך לעשות זאת בצורה מבוקרת… לא נראה לי אפשרי, אלא אם יש לך הברקה?
ורק להבהיר לך, הדרך הכי יעילה להפיק אנרגיה, שידועה לנו מהטבע זה היתוך (fusion) – מה שקורה בליבות כוכבים. אז גם שם האנרגיה מתכלה בסופו של דבר. אין דבר כזה פרפטום מובילה, אבל אפשר להתקרב לזה…
אני נדהם מהכתבה הזאת, כתבתי כאן רק לפני איזה חודש על רעיון שלי לפיתוח מקור אנרגיה חדש בשימוש בננו גנרטורים כי לא מצאתי מושג מתאים וחשבתי שאני הוזה, והנה אחרים כבר עובדים על הענין מזה שנים חחחחחח !
האמת שאני לוקח את עצמי ברצינות ואך שלשום הגעתי לרעיון של ננו גנרטורים יצוקים בתוך חומר רווי אלקטרונים מהם יפיקו את החשמל..הבעיה שלי היית איך ייראן הננו גנרטורים האלה, והנה מתברר שלא תמיד צריך להמציא את הגלגל פשוט לבדוק מה יש בשוק !
הרעיון שלי הוא לנצל את תנועת האלקטרון בתוך החומר להפקת מטען חשמלי שיועבר מתוך החומר החוצה ע”י אלקטרונים חופשיים כמו בחשמל רגיל, אלא שהשאלה היא איך מתקרבים לאלקטרון הסובב את הגרעין? ואיך הופכים את התנועה שלו למטען חשמלי !
אצלי זה נועד לשמש בסופו של התהליך (בטח איזה 20 שנה אם בכלל) להניע כלי רכב עם מקור אנרגיה בלתי מתכלה וכמובן על הדרך גם מכשירים המופעלים בבטריות !
לבד אין סיכוי שאצליח להזיז את זה הלאה, אבל עכשיו זה מתחיל להישמע לי בתחום האפשרי והמעשי ושווה לחשוב על ניסויים, !!
אגב מי שזה מעניין אותו ויש לו מה לתרום לרעיון מוזמן להגיב כאן