مهندسان موسسه ویس (Wyss) دانشگاه هاروارد امیدوار هستند با الهام از سامانه‌های زیستی و با کمک فناوری‌های نوین بتوانند آینده‌ای پایدار برای سیاره‌ی زمین بسازند. در بخش نخست مقاله، ربات‌ Romu و پنجه‌های رباتیکی نرم و پوشش‌های SLIPS را معرفی کردیم. در بخش دوم مقاله، به کاربرد فناوری نانو در کاهش آلودگی هوا و نقش باکتری‌ها در تولید سوخت زیستی و پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر و کاهش مصرف انرژی سیستم‌های خنک‌کننده ساختمان‌ها می‌پردازیم. با مجله‌ی فناوری‌های توان‌افزا و پوشیدنی همراه باشید.

اخبار مربوط به زباله‌دان بزرگ اقیانوس آرام (Great Pacific Garbage Patch) توجه مردم سراسر جهان را به خود جلب کرده است. این زباله‌دان بزرگ، تاثیر منفی فعالیت‌های انسانی بر اکوسیستم‌های آبی را به نمایش می‌گذارد. زباله‌دان بزرگ اقیانوس آرام، محل تجمع زباله‌های دریایی در اقیانوس آرام است.

انسان‌ها زمان زیادی را در آب دریاها و اقیانوس‌ها نمی‌گذرانند اما به طور مداوم در جو سیاره زمین که اقیانوسی از هوا است، نفس می‌کشند. پژوهش‌های اخیر درباره‌ی تاثیر آلودگی هوا بر زندگی انسان شاید بتواند مردم جهان را به واکنش مناسبی وادارد. سازمان بهداشت جهانی (WHO) برآورد کرده است که سالانه هفت میلیون نفر در اثر آلودگی هوا جان خود را از دست می‌دهند. سازمان غیردولتی فعالان محیط زیست صلح سبز (Greenpeace) اعلام کرده است که هزینه‌‌های پزشکی بیماری‌های ناشی از آلودگی هوا سالانه به چندین تریلیون دلار می‌رسد.

کاربرد فناوری نانو در فیلتر دودکش‌ها و اگزوز خودروها

سوخت‌های فسیلی مانند زغال سنگ، نفت و بنزین نقش بزرگی در آلودگی هوا دارند. در سوخت‌های فسیلی بیشتر از ۱۵۰ ماده شیمیایی وجود دارد. سوخت‌های فسیلی، گازهای سمی همچون مونوکسید کربن، ترکیبات آلی فرار (VOCs) و اکسید نیتروژن در هوا منتشر می‌کنند. بنزین، گاز طبیعی، زغال سنگ و نفت منبع مهمی برای انتشار دی‌اکسید نیتروژن هستند.

یکی از راه‌های کاهش انتشار گازهای سمی، نصب مبدل‌های کاتالیست در دودکش‌ها و لوله‌های اگزوز خودروها است. کاتالیست تا ۹۰٪ گازهای سمی را بی‌اثر می‌کند به‌گونه‌ای که هیدروکربن‌های نسوخته که از موتور خارج می‌شوند را به آب و دی اکسید کربن تبدیل می‌کند. بنابراین در کاهش آلودگی هوا بسیار مؤثر است. استفاده از مبدل‌های کاتالیزوری به دلیل استفاده از فلزات گران از جمله پلاتین به صنایع بزرگ محدود شده است. از سوی دیگر، مبدل‌های معمولی به اندازه‌ی کافی موثر نیستند.

آزمایشگاه فناوری مواد تطبیق‌پذیر موسسه ویس، پوشش‌های جدیدی مبتنی بر فناوری نانو توسعه داده است که مبدل‌های کاتالیست را کارآمدتر و مقرون به‌صرفه می‌کند. پوشش‌های نانو از بال‌های پروانه الهام گرفته شده‌اند. اگر سطح بال‌های پروانه را از نزدیک ببینیم، با ساختاری متخلخل و دارای منافذ ریز روبرو می‌شویم. این منافذ ریز باعث ویژگی آب‌گریزی (Hydrophobe) سطح بال پروانه می‌شود. پژوهشگران موسسه ویس دریافتند با تقلید از ساختار بال‌های پروانه می‌توانند به ساخت مبدل‌های کاتالیست کارآمدتر و با مقدار فلز کمتر و مقرون به صرفه دست یابند.

تولیدکنندگان مبدل‌های کاتالیست ۷۰ تا ۹۰ درصد هزینه ساخت را به فلزات گران موردنیاز اختصاص می‌دهند. با کاهش فلزات گران مورداستفاده، هزینه ساخت مبدل‌ها کاهش می‌یابد. در نتیجه صنایع کوچک‌تر نیز تشویق می‌شوند از این فیلترهای هوا استفاده کنند. یکی از ویژگی‌های مهم پوشش جدید نانو، امکان به کارگیری آن در مبدل‌های قدیمی است. بنابراین این پوشش افزون بر محیط زیست برای تولیدکننده نیز سودمند است. پوشش نانو مبدل‌های کاتالیست در آینده‌ی نزدیک به مرحله‌ی تجاری‌سازی می‌رسد.

جایگزینی سوخت فسیلی با سوخت زیستی با کمک باکتری‌ها

تقریبا اساس هر آنچه انسان‌ها در طول ۲۰۰ سال گذشته تولید کرده‌اند بر پایه‌ی فسیل موجودات ما قبل تاریخ است که میلیون‌ها سال پیش مرده‌اند. سوخت‌های فسیلی نیروی موردنیاز کارخانه‌ها، خودروها و حتی انرژی موردنیاز ذخیره‌ی داده‌ها را فراهم می‌کنند. استخراج، پالایش و حمل و نقل سوخت فسیلی مقدار زیادی گازهای گلخانه‌ای به جو زمین وارد می‌کند که به تغییرات آب‌وهوایی منجر شده است. با بالا رفتن دمای متوسط کره‌ی زمین، انقراض جانداران، خشکسالی و بیماری‌های همه‌گیر سرعت پیدا می‌کند.

باکتری‌ها و سوخت زیستی

پژوهشگران موسسه ویس تلاش می‌کنند اعتیاد بشر به سوخت‌های فسیلی را متوقف کنند. باکتری‌ها موجودات ارزشمندی برای پژوهش زیست‌شناسی مولکولی به شمار می‌آیند. تغییر ژن‌های باکتری‌ها نسبت به موجودات زنده‌ی دیگر بسیار ساده‌تر هستند. افزون بر این، رشد باکتری‌ها سریع‌تر است.

پژوهشگران آزمایشگاه دستگاه‌های زیستی (Living Cellular Devices) موسسه ویس به برنامه‌ریزی مجدد و اصلاح باکتری‌ها برای کاربردهای جدید می‌پردازند. باکتری‌های اصلاح شده می‌توانند از دی‌اکسیدکربن و هیدروژن تغذیه کنند و ترکیباتی مانند الکل ایزوآمیل (isopentanol)، ایزوبوتانول (isobutanol)، ایزوپروپیل الکل (isopropanol) تولید کنند. هر سه عنصر بیان شده را می‌توان به عنوان سوخت زیستی (biofuel) استفاده کرد. از سوی دیگر، باکتری‌های اصلاح شده در آزمایشگاه، ترکیبی با نام PHB تولید می‌کنند که از عناصر اصلی پلاستیک‌های زیست تخریب‌پذیر به شمار می‌آید.

برگ مصنوعی و سامانه فوتوسنتز مصنوعی

پژوهشی دیگر از دانشگاه هاروارد در حال ساخت یک برگ مصنوعی (artificial leaf) هستند. سامانه‌ای که بتواند همانند برگ گیاهان، آب را به عنصرهای اکسیژن و هیدروژن تجزیه و انرژی دریافتی از خورشید را به انرژی شیمیایی تبدیل کند. بازدهی تبدیل انرژی برگ مصنوعی به ۱۰ درصد می‌رسد که از گیاهان با بالاترین بازدهی، ۱ درصد بالاتر است.

با تلفیق سامانه‌ی برگ مصنوعی و باکتری‌ها، سامانه‌ی فوتوسنتز مصنوعی عنصرهایی همچون هیدروژن را تولید می‌کند و باکتری‌ها با مصرف هیدروژن، عناصر اصلی سوخت زیستی را تولید خواهند کرد. بنابراین سوخت زیستی از نور خورشید به دست می‌آید. از سوی دیگر، برگ مصنوعی با قابلیت فوتوسنتز، پتانسیل تولید مولکول‌های بر پایه‌ی کربن را دارد. بنابراین در آینده می‌توان بسیاری از محصولات زندگی مدرن که بر پایه‌ی کربن هستند را از سامانه‌ی برگ مصنوعی به دست آوریم.

به دلیل مقادیر زیاد باکتری‌ها و رشد سریع و ارزان آن‌ها، تولید انبوه پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر مقرون به صرفه خواهد بود. بنابراین بشر می‌تواند تولید پلاستیک‌هایی همچون یونولیت (styrofoam) که تجزیه‌ آن بیش از یک میلیون سال طول می‌کشد را متوقف کند و پلاستیک‌های زیست تخریب‌پذیر را جایگزین کند.

اگرچه باید بدانیم جایگزینی سوخت فسیلی با سوخت زیستی خیلی سریع اتفاق نمی‌افتد و همچنان باید به استراتژی کاهش مصرف سوخت فسیلی با هدف کاهش گازهای گلخانه‌ای ادامه دهیم.

حل مشکل مصرف بیش از حد انرژی سیستم‌ تهویه مطبوع ساختمان‌ها با فناوری نانو

با گرم شدن زمین، تقاضا برای سیستم‌های تهویه مطبوع در ساختمان‌ها افزایش یافته است. سیستم‌های خنک‌کننده، یکی از بزرگ‌ترین مصرف‌کننده سوخت‌های فسیلی به شمار می‌آیند. سیستم تهویه برای حذف رطوبت از هوای مرطوب و خنک کردن هوا از کمپرسورهای بخار استفاده می‌کند. فشرده‌سازی بخار به انرژی بسیاری نیاز دارد. یکی از روش‌های جایگزین با هدف کاهش مصرف انرژی، روش سرمایش تبخیری (Evaporative Cooling) است. انسان‌ها برای هزاران سال از روش سرمایش تبخیری برای خنک کردن ساختمان‌ها استفاده می‌کردند. اساس کار کولرهای آبی نیز همین روش است. مصرف انرژی کولر آبی نسبت به سیستم تهویه مطبوع پایین‌تر است اما برای مناطق خشک مناسب است و برای مناطق مرطوب قابل استفاده نیست.

نوآوری پوشش cold-SNAP برای توسعه سامانه خنک‌کننده بهینه

یک گروه پژوهشی چند رشته‌ای در موسسه ویس یک سیستم سرمایش تبخیری بهبودیافته توسعه داده‌اند. این سیستم برای مناطق گرم و مرطوب نیز قابل استفاده خواهد بود و نسبت به کولرهای آبی مصرف انرژی پایین‌تری دارد. آن‌ها برای توسعه‌ی چنین سیستمی از پرهای اردک الهام گرفته‌اند. هنگامی که قطره‌ای آب بر پرهای اردک می‌چکد و از سطح آن جدا می‌شود، مقداری گرما نیز با آب انتقال می‌یابد. بنابراین با به کارگیری سطوح ضد آب همچون پر پرندگان، مقدار گرمای حذف شده از محیط بهینه خواهد شد و رطوبت محیط افزایش نمی‌یابد.

نوآوری تیم پژوهشی ویس، ماده‌ای به نام cold-SNAP است که ماده‌ای ضدآب با ساختار نانو است. با افزودن این ماده به عناصر ساختمانی همچون سرامیک می‌توان ساختمان‌ها را بدون افزایش رطوبت محیط و با کاهش ۷۰ درصدی مصرف انرژی خنک کرد. با افزودن پوشش cold-SNAP به سیستم‌های سرمایش تبخیری، به سیستم‌های تهویه مطبوع پایدار و دوستدار محیط‌ زیست خواهیم رسید. همچنین اگر به عناصر ساختمانی همچون سرامیک و آجر این پوشش را بیافزاییم ساختمان تنها با پمپ کردن آب به سیستم، خودش را خنک می‌کند.

بیشتر بخوانیم:

نجات محیط زیست با کمک ربات ها ، میکروب ها و فناوری نانو (بخش نخست)

منبع: wyss.harvard.edu

«استفاده و بازنشر مطالب تنها با ذکر لینک منبع و نام (مجله فناوری‌های توان‌افزا و پوشیدنی) مجاز است»