ساخت کاغذ دیواری هوشمندی که از رطوبت هوای داخل خانه برق تولید می‌کند

پژوهشگران دانشگاه بینگهمتون نوعی کاغذ هوشمند ساخته‌اند که می‌تواند رطوبت موجود در هوای داخل خانه را به مقدار کمی برق تبدیل کند. هدف از این فناوری، تأمین انرژی وسایل کم‌مصرفی مانند حسگرها، ماژول‌های بی‌سیم و تجهیزات اینترنت اشیا است.

ایده اصلی به مولدهای «رطوبت‌الکتریکی» برمی‌گردد؛ سامانه‌هایی که از بخار آب موجود در هوا برای تولید جریان الکتریکی استفاده می‌کنند. نمونه‌های قبلی معمولاً برای فضای باز طراحی شده بودند، اما تغییر مداوم دما، باد و رطوبت عملکرد آن‌ها را ناپایدار می‌کرد.

پژوهشگران معتقدند فضای داخلی ساختمان شرایط مناسب‌تری دارد، چون رطوبت خانه معمولاً در محدوده‌ای نسبتاً ثابت باقی می‌ماند و فعالیت‌هایی مانند تنفس، آشپزی و حمام‌کردن نیز به رطوبت هوا اضافه می‌کنند.

به نوشتهنیواطلسنمونه آزمایشی فعلی هنوز یک کاغذدیواری تجاری نیست و از کاغذ آزمایشگاهی Whatman 3 MM با ضخامت ۳۴۰ میکرومتر ساخته شده است. اتصالات الکتریکی در پشت کاغذ قرار گرفته‌اند و سوراخ‌های یک‌میلی‌متری ایجادشده با لیزر و پرشده با رنگ نقره‌ای، دو طرف کاغذ را به یکدیگر متصل می‌کنند.

فرایند ساخت شامل چاپ با موم، ایربراش، چاپ سیلک و برش لیزری است و به اتاق تمیز نیاز ندارد. پژوهشگران امیدوارند در آینده تمام مراحل تولید به روش‌های چاپی انجام شود تا ساخت انبوه آن ساده‌تر و ارزان‌تر شود.

هر واحد از این کاغذ از مربع‌هایی به ابعاد دو در دو سانتی‌متر تشکیل شده که سه بخش متفاوت دارند. در لبه هر مربع، گلیسرول قرار دارد؛ ماده‌ای که بخار آب موجود در هوا را جذب می‌کند و آن را درون کاغذ به آب مایع تبدیل می‌کند.

مرکز هر مربع نیز با موم پوشانده شده است. موم جلوی عبور مستقیم آب مایع را می‌گیرد، اما منافذ بسیار ریزی باقی می‌گذارد که بخار آب بتواند از آن‌ها خارج شود. درنتیجه، آب از لبه‌ها وارد کاغذ می‌شود، به سمت مرکز حرکت می‌کند و در آنجا به شکل بخار خارج می‌شود. همین جابه‌جایی مداوم آب باعث ایجاد اختلاف در تعداد یون‌های هیدروژن میان بخش‌های مختلف کاغذ می‌شود. این اختلاف، جریان الکتریکی ضعیفی ایجاد می‌کند که الکترودهای گرافیتی آن را جمع‌آوری می‌کنند.

توان خروجی فعلی هنوز محدود است. یک قطعه در رطوبت ۸۰ درصد حدود ۰٫۳۴ ولت تولید کرد و اتصال ۱۰ قطعه به یکدیگر، ولتاژ را به حدود ۲٫۹ ولت رساند. آرایه‌ای متشکل از ۳۵ قطعه توانست یک حسگر رطوبت را حدود ۱۵ دقیقه روشن نگه دارد. بزرگ‌ترین نمونه نیز از ۱۵۹۶ قطعه تشکیل شده بود و در رطوبت حدود ۳۸ درصد، تقریباً ۳٫۵ ولت تولید کرد.

مقدار انرژی تولیدی با کمک یک خازن برای کارکردن یک کیبورد بی‌سیم کافی بود. خازن برق را برای مدت کوتاهی ذخیره می‌کند و سپس آن را آزاد می‌کند. بااین‌حال، پژوهش مقدار کل توان تولیدی این نسخه دیواری را اعلام نکرده است و فعلاً نمی‌توان عملکرد آن را با منابع برق معمولی مقایسه کرد.

کاغذ مورد بحث ویژگی دیگری هم دارد: می‌تواند مانند تنظیم‌کننده رطوبت عمل کند. در محفظه آزمایشگاهی، ۲۸ قطعه کاغذ توانستند رطوبت را در حدود چهار دقیقه از ۷۵ درصد به ۵۰ درصد کاهش دهند. پس از آنکه کاغذها آب جذب کردند، در محیط خشک بخشی از رطوبت ذخیره‌شده را دوباره آزاد کردند و رطوبت هوا را در حدود ۱۶ دقیقه از ۱۵ درصد به ۲۰ درصد رساندند.

در آزمایشی داخل اتاق نیز آرایه بزرگ‌تر توانست رطوبت را در ۱۵ دقیقه از ۳۸ درصد به ۳۲ درصد کاهش دهد. البته پژوهشگران تأکید می‌کنند که این نتایج هنوز اولیه‌اند و نشان نمی‌دهند سامانه در استفاده طولانی‌مدت هم همین عملکرد را حفظ خواهد کرد.

سئوک‌هیون چوی، سرپرست گروه پژوهشی، می‌گوید ساختمان‌ها انرژی زیادی برای کنترل و کاهش رطوبت از طریق سیستم‌های گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع مصرف می‌کنند. اگر این فناوری توسعه پیدا کند، ممکن است بتوان بخشی از رطوبت محیط را کنترل کرد و هم‌زمان مقدار کمی برق نیز تولید کرد.