نوجوانی که با گرمای دست، چراغقوه بدون باتری ساخت
چهارشنبه 11 شهریور 1405 - 08:14
نوجوانی که با گرمای دست، چراغقوه بدون باتری ساخت
یک نوجوان ۱۵ ساله در بریتیش کلمبیا، چراغقوهای ساخت که تمام انرژی آن از اختلاف دمای بین کف دست انسان و هوای اطراف تأمین میشود. چهار کاشی «پلتیه» که در اطراف یک لوله آلومینیومی توخالی قرار گرفته بودند، در حالی که او چراغقوه را در دست داشت، الکتریسیته کافی برای روشن نگه داشتن یک لامپ LED به مدت بیش از ۲۰ دقیقه تولید کردند.
بینش یک نوجوان درباره تبدیل ترموالکتریک ثابت کرد که گرمای کف دست شما انرژی کافی برای روشن کردن تاریکی را دارد؛ بدون اینکه نیازی به باتری باشد.
نوشته شده توسط Lab Report، ویرایش شده توسط مال جیمز، منتشر شده در ۳۱ اوت ۲۰۲۶.
عکس: فرانچسکو پاجیارو / Pexels. این چراغقوه توصیفشده در مقاله نیست؛ تصویر صرفاً برای اهداف نمایشی است.
آیا یک دست گرم میتواند یک چراغقوه را روشن کند؟ نه با چرخاندن یک دسته، نه با تکان دادن یک آهنربا به عقب و جلو، بلکه صرفاً با نگه داشتن آن، همانطور که به هر حال یک چراغقوه را در یک پیادهروی شبانه در دست میگیرید. در سال ۲۰۱۳، یک نوجوان ۱۵ ساله پاسخ مثبت داد و این کار را با قطعاتی انجام داد که هزینه آنها کمتر از بلیت سینما بود. نام او «آن ماکوسینسکی» است و در آن زمان دانشآموز کلاس دهم در مدرسه دانشگاه سنت مایکل در ویکتوریا، بریتیش کلمبیا بود. «چراغقوه توخالی» او نیازی به باتری، پنل خورشیدی یا کوک کردن ندارد. این دستگاه با اختلاف دمای اندک بین پوست کف دست شما و هوای خنکتر اطراف آن کار میکند. چهار کاشی پلتیه این تبدیل را انجام میدهند و تا زمانی که آن را در دست دارید، نور روشن میماند.
گرمای بدن چگونه به نور تبدیل میشود؟ ترفند کار، بخشی از فیزیک به نام «اثر سیبک» (Seebeck effect) است. دو فلز متفاوت را کنار هم قرار دهید، یک سمت را گرمتر از سمت دیگر نگه دارید؛ یک ولتاژ کوچک در سراسر آنها ایجاد میشود. بدون قطعات متحرک، بدون سوزاندن سوخت، فقط یک اختلاف دما کار را انجام میدهد. این تمام ایده اثر سیبک است: یک شکاف دمایی مستقیماً به ولتاژ تبدیل میشود، هرچند چندان کارآمد نیست. کاشی پلتیه سختافزار روزمرهای است که این کار را انجام میدهد. ممکن است یکی از آنها را در یک خنککننده کوچک نوشیدنی یا یخچالهای قابل حمل دیده باشید، جایی که معمولاً برعکس عمل میکند و از الکتریسیته برای جابجایی گرما استفاده میکند. اگر آن را به شکل معکوس به کار بگیرید، با یک سمت گرم و یک سمت سرد، به یک ژنراتور کوچک تبدیل میشود. کف دست شما سمت گرم است. گرمای زیادی نیست، اما برای یک LED کممصرف کافی است.
آن ماکوسینسکی واقعاً چه چیزی ساخت؟ طراحی آن به قدری ساده است که میتوان آن را تصور کرد. چهار عدد از این کاشیها در قسمت بیرونی یک لوله آلومینیومی توخالی قرار گرفتهاند. وقتی دست خود را دور لوله میپیچید، کف دست شما سطح بیرونی هر کاشی را گرم میکند. هوایی که از میان فضای باز وسط لوله عبور میکند، سطح داخلی را خنک نگه میدارد. آن اختلاف بین دو سطح همان چیزی است که جریان تولید میکند. او دو نسخه ساخت که یکی از آنها لوله آلومینیومی را درون یک تکه لوله PVC جای داده بود و هزینه مواد اولیه هر کدام حدود ۲۶ دلار بود. هر دو نسخه یک پرتو ثابت LED را برای بیش از ۲۰ دقیقه روشن نگه داشتند. این پروژه در نمایشگاه علمی گوگل در سال ۲۰۱۳ برنده رده سنی او شد.
آنچه او را به این ایده جذب کرد، کمتر خود چراغقوه و بیشتر منبع آن بود. او به CBC گفت: «من واقعاً به بهرهبرداری از انرژی مازاد علاقهمندم، انرژیای که ما را احاطه کرده اما هرگز واقعاً از آن استفاده نمیکنیم.» بدن انسان همیشه گرما دفع میکند. بیشتر آن فقط به اتاق نشت میکند و از بین میرود. چراغقوه او تکهای از آن را در مسیر خروج شکار میکند.
چرا لوله توخالی مهم است؟ جزئیاتی که مدام به آن برمیگردیم، همان چیزی است که باعث میشود کل دستگاه کار کند. یک کاشی پلتیه تنها زمانی انرژی تولید میکند که دو طرف آن در دماهای متفاوتی باشند. اگر هر دو سطح به یک دما برسند، ولتاژ فرو میپاشد و نور خاموش میشود. بنابراین مشکل مهندسی واقعی، تولید گرما نیست؛ دست شما این کار را رایگان انجام میدهد. مشکل، سرد نگه داشتن سمت سرد است. مرکز توخالی پاسخ این مشکل است. با باز گذاشتن وسط لوله، هوا میتواند از کنار سطوح داخلی کاشیها عبور کند و گرمایی را که از کف دست شما نفوذ میکند، با خود ببرد. این کار باعث میشود دو سمت کاشیها از هم متمایز باقی بمانند. این همچنین یک ویژگی جالب دستگاه را توضیح میدهد: در روزهای سردتر، نور آن درخشانتر بود. چراغقوهها در دمای ۵ درجه سانتیگراد درخشانتر از ۱۰ درجه سانتیگراد بودند، زیرا اتاق سردتر به معنای شکاف بیشتر بین دست و هواست و شکاف بزرگتر به معنای انرژی بیشتر است.
آیا یک چراغقوه گرمشونده با دست واقعاً مفید است؟ به عنوان یک چراغقوه خانگی، احتمالاً جایگزین چراغقوه داخل کشوی شما نخواهد شد. خروجی آن متوسط است، پرتو نور ملایم است و به محض اینکه آن را زمین بگذارید، خاموش میشود. در یک شب گرم، شکاف دمایی کاهش مییابد و به تبع آن نور نیز کم میشود. اینها محدودیتهای واقعی هستند، نه ایرادات جزئی. با این حال، قضاوت درباره آن به عنوان یک چراغقوه مصرفی، اصل مطلب را نادیده میگیرد. آنچه او نشان داد این است که یک کف دست گرم و یک اتاق خنک، انرژی قابل استفاده کافی برای اجرای یک دستگاه الکترونیکی واقعی را دارند؛ آن هم به شکلی ارزان و بدون استفاده از تجهیزات عجیب و غریب. به عنوان سندی که نشان میدهد میتوان به جای تکیه بر یک منبع انرژی ذخیرهشده، طراحی را حول یک منبع انرژی کوچک و همیشه فعال انجام داد، این ایده کاملاً معتبر است. چراغقوه در واقع یک پوشش است. ایده نهفته در آن این است که انرژی در تمام مدت وجود داشته و بدون استفاده هدر میرفته است.
ایده بزرگتر: گرمای هدررفته به عنوان منبع انرژی. این ایده فقط یک نوآوری نمایشگاه علمی نیست. این ایده برخی از طولانیترین ماموریتهایی را که بشر انجام داده، تغذیه میکند. ژنراتورهای ترموالکتریک رادیوایزوتوپ ناسا از همان اصل استفاده میکنند و بدون قطعات متحرک، گرما را به الکتریسیته تبدیل میکنند. منبع گرما متفاوت است (واپاشی پلوتونیوم به جای گرمای دست)، اما مرحله تبدیل همان فیزیکی است که ماکوسینسکی استفاده کرد. کاوشگرهای دوقلوی وویجر که در سال ۱۹۷۷ پرتاب شدند، هنوز با همین سیستم کار میکنند و مریخنورد «استقامت» (Perseverance) حدود ۱۱۰ وات انرژی از واحدی دریافت میکند که به همان شکل کار میکند.
در نزدیکی بدن، محققان به دنبال نسخهای هستند که پروژه او به آن اشاره داشت: پوشیدنیهایی که با گرمای خودتان کار میکنند. تیمی در دانشگاه کلرادو بولدر یک ژنراتور کشسان ساختهاند که میتوانید آن را به عنوان انگشتر یا دستبند بپوشید که در مقالهای در Science Advances توصیف شده است. جیانلیانگ شیائو، نویسنده ارشد این تحقیق، خاطرنشان کرد: «ژنراتورهای ترموالکتریک در تماس نزدیک با بدن انسان هستند و میتوانند از گرمایی استفاده کنند که معمولاً در محیط دفع میشود.» این عبارت، خط اصلی بحث است. این همان انرژی مازادی است که ماکوسینسکی درباره آن صحبت میکرد؛ گرمایی که ما دفع میکنیم و هرگز استفاده نمیکنیم، توسط دستگاهی متفاوت شکار میشود. هدف هنوز کمی دور است. شیائو به صراحت میگوید: «در آینده، ما میخواهیم بتوانیم وسایل الکترونیکی پوشیدنی شما را بدون نیاز به باتری روشن کنیم.» و همان گزارش اشاره میکند که چنین دستگاههایی ممکن است تنها در ۵ تا ۱۰ سال آینده به بازار برسند.
آنچه از یک چراغقوه ۲۶ دلاری در ذهن ما میماند، تغییر زاویه دید است. اکثر طراحیها با این پرسش شروع میشوند که به چه اندازه باتری نیاز دارید. رویکرد ترموالکتریک از جای غریبتری شروع میشود و میپرسد چه انرژی رایگانی همین حالا در حال جریان از کنار دستگاه است و چگونه میتوان فقط به اندازه کافی شکاف دمایی ایجاد کرد تا آن را شکار کرد. یک پرتو ثابت برای ۲۰ دقیقه تنها با گرمای یک دست، پاسخی کوچک اما کاربردی به این پرسش است.