جهاز ورقي قابل للارتداء يولد الكهرباء من رطوبة الهواء

في خطوة علمية للتعامل مع أزمة الطاقة العالمية، أعلن فريق من الباحثين في جامعة بينغهامتون بولاية نيويورك عن تطوير جهاز ورقي قابل للارتداء يولد الكهرباء من رطوبة الهواء، في دراسة حديثة منشورة بدورية نانوميكرو سمول. هذا الابتكار يمكن أن يغير مستقبل الطاقة في الأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء، خاصة في تطبيقات الرعاية الصحية.

وبحسب الفريق، ستستخدم الأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء تقنيات حصاد الطاقة في المستقبل، ولكن في الوقت الحالي فإن تلك التقنيات ما زالت تجريبية وغير فعالة.

وما دفع الباحثين إلى الاهتمام بتلك النقطة هو أن الرطوبة في الهواء موجودة حولنا في كل مكان، لذا فإن حصاد الطاقة من الرطوبة أمر سهل للغاية وسيتيح استخدام الطاقة في أي مكان تقريبًا.

حل ورقي لطاقة مستدامة

يعتمد الجهاز، المسمى مولد الكهرباء الرطوبي، على تقنية مبتكرة تستخدم الأبواغ البكتيرية لتوليد الطاقة. تكسر الأبواغ البكتيرية جزيئات الماء إلى أيونات موجبة وسالبة، وتمتص الشعيرات الدموية في الورق البكتيريا، فتخلق تدرجًا من الأيونات، ويؤدي هذا الخلل إلى شحنة كهربائية.

تشرح الباحثة يانغ ليكسي جاو، طالبة الدكتوراه ومديرة المعمل والباحثة في البطاريات الحيوية القابلة للارتداء والمؤلف الرئيسي في الدراسة، آلية عمل الجهاز في تصريح للجزيرة نت فتقول “إذا تخيلت الجهاز أنه لاقط لأيونات الهيدروجين، فمع انتقال الأيونات عبر ألياف الورق، يمكن لعدد أقل وأقل من الأيونات المرور عبر الشعيرات الضيقة. وقد يؤدي هذا إلى وجود 7 أيونات في الأعلى، وواحد فقط في الأسفل. تخيل الآن أن كل أيون يمكن أن يمنحك فولتا واحدا، ومن ثم يكون لديك 7 فولتات في اتجاه مقابل فولت فقط في الاتجاه الآخر، وذلك يعني أن لديك الآن فرق جهد في الجهاز، فيمكنك توليد الطاقة”.

البكتيريا في الجهاز لها دور حيوي بادئ للعملية عبر تحويل جزيئات الماء الموجودة في الهواء إلى أيونات ذات شحنات موجبة وسالبة. تقول جاو “تمتلك البكتيريا العصوية الرقيقة ذات السلالة 168 القدرة على تكوين الأبواغ الداخلية وتحمّل البيئات القاسية للحفاظ على نفسها لفترة طويلة جدًا. وحتى بعد إعادتها من الحياة، تحتفظ الخلايا البكتيرية بقدرتها على توليد الطاقة، وقد أثبتت العديد من الأبحاث هذه النقطة كما في أوراقنا المنشورة سابقًا. وبهذه الطريقة، يمكننا تخزينها (الطاقة في البكتيريا) مدة أطول، كما ستعمل بشكل سليم أيضًا (بمجرد توافر الظروف المناسبة مرة أخرى)”.

تطبيقات متعددة لمولد الطاقة الرطوبي

ليس الجهاز مجرد مولد للطاقة فحسب، وتوضح جاو “نظرًا لأن الجهاز قادر على توليد الطاقة بسبب تغيير مستويات الرطوبة، فيمكن استخدامه في الواقع كمستشعر للرطوبة، كما يمكن استخدامه كمستشعر للتنفس؛ فعندما تشهق وتزفر يتغير مستوى الرطوبة حول فمك وأنفك أيضًا. ويمكن للجهاز مراقبة وتيرة التنفس وإيجاد الرابط بين ذلك ومستوى القلق أو بعض أمراض الجهاز التنفسي”.

ورغم الإمكانات الواعدة، تواجه التقنية بعض التحديات، إذ تستغرق زراعة الأغشية الحيوية البكتيرية 3 أيام، وذلك يعوق الإنتاج الضخم حاليا.

وتشير جاو إلى ذلك قائلة “في هذه المرحلة من البحث، لا يزال الإنتاج الضخم يشكل تحديًا. ومع ذلك، نعتقد أن هناك كثيرا من الإمكانات في التطبيقات في العالم الحقيقي، لأن سلالات البكتيريا العصوية يمكن العثور عليها بشكل طبيعي في التربة والأمعاء البشرية، ولذلك لن تشكل أي خطر محتمل على أجسام البشر”.

وتضيف جاو في تصريحها للجزيرة نت “على ما يبدو، فإن أحد عيوب جهازنا هو أن خروج الطاقة لا يزال بعيدا عن المثالية، لذلك نقوم بإدراج العديد من التطورات لتحسين هذه النقطة، من أجل جعله مصدر طاقة أو جهاز استشعار حيويا أكثر وظيفية”.

الميزة الأبرز للجهاز هي مادته الورقية التي تجعله مرنًا ومنخفض التكلفة وصديقًا للبيئة، تقول جاو “لا يوجد حد للورق من حيث الحجم، وهنا يكمن جمال ورقية الجهاز، إذ يمكنك اللعب به وتشكيله بالطريقة التي ترغبها وتحقق أداء رائعًا. ومع ذلك، نستهدف في الواقع الأجهزة ذات الاستخدام مرة واحدة اعتمادًا على الركيزة الورقية بدلا من الأجهزة القابلة لإعادة الاستخدام. ولأن الورق منخفض التكلفة ويسهل الحصول عليه، فإننا نتصور أن الأمر سيصبح أكثر منطقية”.

إن مولد الكهرباء الرطوبي يمثل نقلة نوعية في مجال الطاقة المستدامة للأجهزة القابلة للارتداء. ورغم وجود تحديات، فإن الابتكار يحمل وعدًا كبيرًا بتوفير حلول عملية وبيئية لأجهزة الاستشعار والطاقة المنخفضة. ويعد هذا العمل خطوة جديدة نحو مستقبل مستدام يعتمد على تحويل الموارد الطبيعية إلى طاقة نظيفة ومتاحة للجميع.