نجح فريق من الباحثين بجامعة كاليفورنيا في توليد الكهرباء من الحرارة عن طريق حجز الجزيئات الحيوية بين الجسيمات المعدنية المتناهية الصغر (النانو)، وهو إنجاز يمكن أن يمهد الطريق نحو تطوير مصدر جديد للطاقة. ويعد هذا الاكتشاف الذي تم وصفه كإنجاز مميز في السعي للبحث عن طرق فعالة لتحويل الحرارة مباشرة إلى كهرباء. وحالياً، تنطوي الطريقة السائدة لتوليد الكهرباء على حرق الوقود الأحفوري للحصول على حرارة، ويكون ذلك غالباً بشكل بخار، لكي يتم إدارة محرك توربيني، يقوم بالتالي بتحريك مولد ينتج كهرباء.

هذا ويتم الحصول على حوالي 90 بالمائة من الكهرباء في العالم من محطات الكهرباء إلى محركات السيارات من خلال هذا التحويل غير المباشر للحرارة. وخلال هذه العملية، يتم فقد وإطلاق كمية كبيرة من الحرارة. ولا بد أن أي شخص تعرض لتوقف محرك السيارة بسبب خلل في الرادياتور قد مرّ بهذه التجربة.

وقال آرون ماجومدار، أستاذ الهندسة الميكانيكية بجامعة كاليفورنيا والمحقق الرئيسي في الدراسة، انه (لكي يتم توليد 1 واط من الكهرباء، يتعين استخدام 3 واط من الحرارة، مما يعني إطلاق حوالي 2 واط من الطاقة في شكل حرارة إلى البيئة، ولكن إذا تم تحويل كمية قليلة من الحرارة المفقودة إلى كهرباء بأسلوب فعال من حيث التكاليف، فإن اثر ذلك على الطاقة سوف يكون ضخماً، ويؤدي إلى وفورات كبيرة في الوقود وتخفيض في انبعاثات ثاني أكسيد الكربون).

ولكن لسوء الحظ، فإن درجة الحرارة التي يتم عندها إطلاق الحرارة منخفضة للغاية لكي يتم استخدامها بفاعلية بواسطة المحركات الحرارية التقليدية. خلال الخمسين سنة الماضية، شكل استغلال هذه الحرارة المهدرة موضع اهتمام رئيسي للبحث في المحولات الحرارية الكهربائية، التي تستخدم طريقة أبسط وأكثر مباشرة لتوليد الكهرباء. وتعتمد هذه المحولات على تأثير ظاهرة يتم بموجبها خلق الفولطية عندما يتم الإبقاء على نقاط اتصال معدنين مختلفين عند درجات حرارة مختلفة. ومع ذلك، تعمل المولدات الحرارية الكهربائية المذكورة عند فعالية 7 بالمائة، مقارنة بنسبة فعالية تبلغ 20 بالمائة في المحركات الحرارية التقليدية. وعلاوة على ذلك، فإن هذه المحولات مصنوعة من سبائك معدنية مكلفة ونادرة، مثل معدن bismuth وtellurium وغير عملية للاستخدام بشكل واسع النطاق.

وتعد دراسة جامعة كاليفورنيا المرة الأولى التي يتم فيها قياس تأثير هذه الظاهرة في جزيء حيوي، لتضع العمل الأساسي لتطوير محولات حرارية كهربائية أكثر فعالية من حيث التكاليف.

تقول راشيل سيجالمان، أستاذة الهندسة الكيميائية بجامعة كاليفورنيا، ومؤلفة مشاركة في الدراسة، (إن الهدف هو صنع أشياء من المواد المتوفرة ويتم تصنيعها بسهولة، فالمواد الحيوية رخيصة ويمكن تصنيعها بسهولة).

وقال برامود ريدي، خريج جامعة كاليفورنيا - برنامج العلوم التطبيقية والتكنولوجية- ومؤلف مشارك رئيسي في البحث: (إن التأثير قد يبدو صغيراً للغاية الآن ولكنه إثبات مهم للفكرة وأول خطوة في الكهرباء الحرارية الناتجة عن الجزيئات الحيوية، فنحن نتجه إلى طريق المواد الحرارية الكهربائية الرخيصة). وتتضمن الخطوة القادمة للباحثين اختبار الجزيئات الحيوية المختلفة والمعادة، بالإضافة إلى ضبط تجميع الجهاز.

وقال ماجمدار، ويعمل أيضاً عالماً في علوم المواد في المختبر الوطني لوارنس بيركلي: إن مجال الكهرباء الحرارية الحيوية يمكن أن يفتح الأبواب لمصدر جديد ورخيص للطاقة وذلك لأن استخدام الجزيئات الحيوية الرخيصة والجسيمات المعدنية الدقيقة يقدم وعداً بمولدات كهرباء وأجهزة تبريد منخفضة التكلفة تشبه البلاستيك. وقد قامت وزارة الطاقة الأمريكية ومؤسسة العلوم الوطنية ومركز أبحاث Berkely-ITRI بدعم الدراسة.