فناوری نانو چه نقشی در برق‌رسانی دارد؟
فناوری نانو در علوم و مهندسی برای طراحی و بهبود ساختارها در زمینه‌های مختلف صنعتی به کار می‌رود. این موارد شامل مواد دارویی، مواد غذایی و انرژی، الکترونیک، پوشش‌ها، مواد آرایشی، نوری و مغناطیسی است.
توافقنامه آب و هوای پاریس برای اجلاس سران COP26 گلاسکو: شکست‌ها و توافقات
توافقنامه آب و هوای پاریس 2015 (COP21) به عنوان یک توافق مهم در نظر گرفته می‌شود که به موجب آن 196 طرف چارچوب قانونی را برای مقابله با تغییراتاقلیمی امضا کردند. نتیجه مسیری بود با هدف دستیابی به کربن خالص صفر تا سال 2050، کاهش 1.2 درجه سانتی‌گراد (سطح پیش از صنعتی شدن) و محدود کردن گرمایش جهانی.
پس از پاریس، تعهداتی که در اجلاس COP26 در گلاسکو انجام شد، برای بسیاری از نمایندگان ناامید کننده بود، زیرا چین و هند در آخرین لحظه یک پیمان را که حذف تدریجی یارانه‌های زغال سنگ و سوخت‌های فسیلی بود را به کاهش تدریجی زغال سنگ تغییر دادند. با این حال، هنوز هم توافقی برای مقیاس‌بندی نیرو سبز (green power) وجود داشت.
بخش خصوصی تعهد قوی برای همسویی 130 تریلیون دلاری با اهداف تعیین شده در توافقنامه آب و هوای پاریس نشان داد که معادل 40 درصد از کل دارایی‌های مالی جهانی است. ایالات‌متحده و چین همچنین در مورد یک بیانیه مشترک برای مقابله با انتشار گاز متان و تبدیل به انرژی پاک، از جمله سیاست‌های کربن زدایی و برق‌رسانی بخش‌های کاربر نهایی، به توافق رسیدند.
چرا فناوری نانو برای برق‌رسانی بخش‌های مصرف نهایی ضروری است؟
بخش‌های کاربر نهایی (End-user sectors) به انرژی مورد استفاده مستقیم مصرف‌کنندگان اشاره دارد که معادل انرژی اولیه مورد استفاده برای حمل و نقل، صنعتی، تجاری و مسکونی است. انرژی اولیه مصرف نهایی (End-use primary energy) به برق، بنزین و گاز طبیعی اشاره دارد. فناوری نانو این پتانسیل را دارد که به تحولی در صنایع کمک کند، به ویژه زمانی که صحبت از مقابله با مسائل زیست محیطی مانند تغییرات اقلیمی باشد.
با فشار بر رهبران جهان و بخش‌های جهانی برای اقدام، و توافق‌نامه‌های جدید برق‌رسانی در حال تدوین، رقابت برای برق‌رسانی هرچه بیشتر، از قطارها و اتومبیل‌ها گرفته تا گرمایش خانه‌ها ادامه دارد. بر اساس گزارش صنعت برق ایالات متحده (2021، globalefficiencyintel.org)، صنعت به تنهایی دو سوم کل تقاضای انرژی را تشکیل می‌دهد. این گزارش از صنعت می‌خواهد تا با دانشگاه‌ها، اتاق‌های فکر و آزمایشگاه‌های علمی همکاری کند تا فرآیندهای برق‌رسانی را ارتقا دهد. برای انجام این کار، کاهش مقیاس، یا به عبارت دقیق‌تر، کاهش مقیاس به نانو به منظور ساخت مواد و تجهیزات کارآمدتر و بادوام‌تر مفید است. وسایل الکترونیکی، عایق‌ها، پوشش‌ها، نانولوله‌ها، لامپ‌های با راندمان بالا و ترانسفورماتورها، به جز چند مورد، همگی با استفاده از فناوری نانو ارتقا پیدا کرده و بهبود یافته‌اند.
کاربردهای فناوری نانو برای توسعه انرژی‌های تجدیدپذیر و صنعت
فناوری نانو می‌تواند راه‌های پاک‌تر، مقرون‌به‌صرفه‌تر، کارآمدتر و مطمئن‌تر را برای جذب منابع انرژی تجدیدپذیر فراهم کند. همچنین این پتانسیل را دارد که توسعه اجتماعی-اقتصادی کشورهای در حال توسعه را برای کمک به انتقال انرژی پایدار و اقتصادهای کربن‌زدایی شده آنها احیا کند. نانولوله‌های کربنی (CNT) اکنون جایگزین الکترودهای گرافیتی معمولی در باتری‌ها شده‌اند. آنها دارای مساحت سطح فوق‌العاده بالا، رسانایی الکتریکی قوی و هندسه خطی هستند، که آنها را به الکترولیت‌های باتری در دسترس تبدیل می‌کند که منجر به کارایی بالاتر ناشی از افزایش بازده الکتریکی حاصل می‌شود.
از نانوساختارهایی مانند نانولوله‌های کربنی، فولرن‌ها و نقاط کوانتومی برای سبک‌تر، کارآمدتر و مقرون‌به‌صرفه‌تر کردن سلول‌های خورشیدی استفاده می‌شود. با افزایش نسبت سطح به حجم نانوذرات، مقدار تابش خورشیدی جذب شده افزایش می‌یابد. جذب انرژی خورشیدی سلول‌های PV معمولی به طور کلی بسیار ضعیف است، همراه با هزینه‌های بالای ساخت که باعث می‌شود مقدار تبدیل به انرژی الکتریکی کمتر از ۴۰ درصد باشد، در حالی که فناوری نانو می‌تواند مواد تغییر یافته‌ای با نرخ جذب بالاتر ایجاد کند.
باتری‌های نانو قادر به شارژ کردن ۶۰ بار سریع‌تر از باتری‌های معمولی هستند و برخی نیز می‌توانند در دماهای بالاتر عمل کنند. برخی از آنها حتی برای دادن یک عمر بی‌انتها به آنها توسعه داده شده‌اند. میلیون‌ها نانولوله در خازن‌ها برای افزایش مساحت سطح الکترود استفاده شده‌اند، در نتیجه مقدار انرژی ذخیره‌شده را افزایش می‌دهند، زیرا مساحت ذخیره‌سازی خازن‌ها متناسب با سطح الکترود است.
همچنین از نانولوله‌های کربنی برای کارآمدتر کردن توربین‌های بادی با ساخت پره‌های سبک‌تر و بادوام‌تر استفاده می‌شود، بنابراین می‌توان طول آنها را افزایش داد تا تولید برق و طول عمر خود پره افزایش یابد. سیال مورد استفاده در تولید انرژی زمین گرمایی با استفاده از سیال با نانوذرات نگهدارنده گرما، تولید انرژی کارآمد را بسیار نزدیک به سطح ممکن می‌سازد.
کشورهای در حال توسعه شروع به راه‌اندازی نیروگاه‌های برق با استفاده از بخار ایجاد شده توسط نور خورشید متمرکز بر نانوذرات کرده‌اند. ترموسل‌ها صفحه‌های نانولوله‌ای هستند که با اختلاف دمای سلول، الکتریسیته ایجاد می‌کنند. آنها را می‌توان دور لوله‌های اگزوز داغ اتومبیل‌ها پیچید تا به جای اتلاف گرما، برق تولید کند.
ترانسفورماتورهای الکتریکی پیشرفته، عناصر کلیدی در شبکه برق، توسط صنعت برق با استفاده از فناوری نانو برای افزایش قابلیت اطمینان و عملکرد در حال توسعه هستند. به طور خاص، تمرکز صنعت بر روی مواد عایق، پوشش‌ها، سیالات دی الکتریک و تجهیزات نظارتی است. تقاضا برای وسایل نقلیه الکتریکی (EVs) به این معنی است که توسعه نانوساختار و نانومواد ممکن است تحولی در تولید و بازیافت مواد از جمله طول عمر خودرو ایجاد کند.
مبادلات، سرمایه گذاری و برق‌رسانی در آینده کربن‌زدایی‌شده
مقاله‌ای که در Nature منتشر شده است، مبادلات زیست‌محیطی مربوط به پیشرفت‌های فنی و اثرات زیست‌محیطی استخراج موادی مانند لیتیوم و مس را مورد بحث قرار می‌دهد که برای تولید باتری‌های لیتیوم-یون و سلول‌های سوختی هیدروژنی غشای تبادل پروتون استفاده می‌شوند.
این پژوهش‌ها شکاف در تحقیقات نانومواد را برای هدایت تحولات آینده نانومواد را شناسایی می‌کند و رویکرد ارزیابی چرخه عمر را برای تعیین کمّی اثرات زیست‌محیطی پیشنهاد می‌کند. در سال ۲۰۰۳، به دلیل کاهش بودجه و منابع مالی، ناسا تحقیقات فناوری نانو را کاهش داد و بیش از ۳۵۰ مقاله در مورد این موضوع منتشر کرد.
این امر منجر به کاهش هزینه‌های تحقیق و توسعه از 47 میلیون دلار به 20 میلیون دلار بین سال‌های 2004 و 2007 شد. در سال 2010، ناسا نقشه راه فناوری نانو را به عنوان بخشی از نقشه راه فناوری فضایی خود تهیه کرد. از سال 2012، ناسا افزایش تحقیق و توسعه فناوری نانو را گزارش کرده است که تأثیر ثانویه بر مأموریت‌های فضایی ایالات متحده و تمام صنایع مهندسی و فناوری مرتبط برای استفاده تجاری و خانگی دارد.
رئیس‌جمهور بایدن در اولین روز کارش در سال ۲۰۲۱ به توافق آب و هوایی پاریس پیوست. در نتیجه، جهان منتظر است ببیند که آیا بودجه ناسا دوباره افزایش خواهد یافت و همراه با آن تعهدی دوباره به تحقیقات فناوری نانو در راستای کربن‌زدایی و برق‌رسانی تعهدات کاربر نهایی، که ایالات متحده در COP26 پذیرفت، انجام خواهد شد یا خیر. در همین حال، چین همچنان با تولید 40 درصد از مقالات تحقیقاتی جهان در سال 2019، پیشتاز تحقیقات علوم نانو است و پس از آن ایالات متحده، هند و ایران قرار دارند.
درباره نویسنده «جورجی لینگ»
جورجی لینگ (Georgie Lyng) نویسنده‌ای آزاد است که علاقه زیادی به مسائل زیست محیطی، تمرکز بر فناوری‌های پایدار، علم تغییرات آب و هوا، بهبود تنوع زیستی و حفاظت از اکوسیستم‌های طبیعی دارد. او مدرک کارشناسی مطالعات محیط زیست را در سال 2016 به پایان رساند و از تحقیق در مورد مسائل محیط زیست و نوشتن در مورد آخرین پیشرفت‌های علمی در صنعت و راه‌حل‌های پایدار برای کمک به حفاظت از محیط زیست لذت می‌برد.