طور الباحثون جهازا حراريا كهربائيا عضويا جديدا قادرا على توليد الطاقة من درجات الحرارة المحيطة دون الحاجة إلى تدرج حراري، على الرغم من أن الأجهزة الحرارية الكهربائية تُستخدم في عدة تطبيقات، إلا أن التحديات السابقة كانت تعوق الاستفادة الكاملة من هذه التقنية. باستخدام الخصائص الفريدة للمواد العضوية، طورت هذه المجموعة من الباحثين نظاما يمكنه توليد الطاقة الكهربائية عند درجة حرارة الغرفة دون الحاجة إلى تدرج حراري. تم نشر نتائج هذه الدراسة في مجلة Nature Communications.

كيف تعمل الأجهزة الحرارية الكهربائية؟

تُعرف الأجهزة الحرارية الكهربائية بأنها مجموعة من المواد القادرة على تحويل الحرارة إلى طاقة كهربائية بوجود تدرج حراري، حيث يكون أحد جوانب الجهاز ساخنا والجانب الآخر باردا. تُستخدم هذه التقنية بشكل أساسي لاستغلال الحرارة المهدرة من طرق توليد الطاقة الأخرى.

أشهر تطبيقات هذه الأجهزة تشمل استخدام مولدات حرارية كهربائية في المسابير الفضائية مثل مركبة Curiosity على المريخ والمسبار Voyager. في هذه التطبيقات، يُستخدم مولد حراري يعتمد على النظائر المشعة لتوفير التدرج الحراري اللازم لتوليد الطاقة. ومع ذلك، تواجه هذه الأجهزة تحديات تتعلق بتكلفتها العالية، واستخدام مواد خطرة، وكفاءتها المنخفضة، والحاجة إلى درجات حرارة مرتفعة، مما يحد من استخدامها على نطاق واسع.

مقاربة عضوية جديدة

صرّح الأستاذ شيهايا أداتشي، من مركز أبحاث الفوتونات والإلكترونيات العضوية في جامعة كيوشو، قائلاً: "كنا نبحث عن طرق لإنشاء جهاز حراري كهربائي قادر على توليد الطاقة من درجة الحرارة المحيطة. تركز مختبراتنا على استخدام المركبات العضوية التي تتميز بقدرتها الفريدة على نقل الطاقة بسهولة فيما بينها". وأضاف: "أحد الأمثلة على قوة المركبات العضوية يظهر في الخلايا الشمسية العضوية أو مصابيح OLED."

بعد تجارب متعددة، وجد الباحثون أن مركبي فيثالوسيانين النحاس و فيثالوسيانين النحاس الفلوري هما أفضل الخيارات لنقل الشحنات الكهربائية بينهما. لتعزيز أداء الجهاز، تم إضافة مركبات أخرى مثل الفوليرين و BCP، المعروفة بقدرتها على تسهيل نقل الإلكترونات، مما زاد من كفاءة الجهاز.

نتائج واعدة في درجة حرارة الغرفة

حقق الجهاز الجديد جهدا مفتوح الدائرة يبلغ 384 ملي فولت وكثافة تيار قصيرة الدائرة تبلغ 1.1 ميكرو أمبير/سم²، وخرجا أقصى للطاقة بلغ 94 نانوواط/سم²، وكل ذلك عند درجة حرارة الغرفة وبدون الحاجة إلى تدرج حراري.

أكد الأستاذ أداتشي: "هذا الابتكار يفتح الباب أمام المزيد من التقدم في مجال الأجهزة الحرارية الكهربائية العضوية، وسنعمل على تحسين الجهاز باستخدام مواد جديدة لزيادة كثافة التيار وكفاءة توليد الطاقة."