بخشی از مقاله
چکیده:
دراین طرح به این نتیجه رسیدیم که می توان با استفاده از سه فلز آهن - نقره - آلومینیوم که در صنعت به وفور یافت می شوند برق تولید کرد وازفلزآهن وآلومینیوم برای مصرف خانگی وازفلزنقره و آلومینیوم برای مصارف صنعتی به کاربرد با کمک این فلزات می توان با تشکیل یک سلول الکتروشیمیایی در درون خاک از یک ماده آلی از جنس کربن به نام گرافن که همراه با خاک مخلوط می شود برق با ولتاژ بسیار بالا و حداقل به مدت بیست سال تولید کرد. این طرح هیچ گونه آسیبی به محیط زیست وارد نمی کند حتی در این طرح از یک سیستم هوشمند قطع برق برای مشکلات ناگهانی و غیرطبیعی در نظر گرفته شده است. با این روش تولید برق می توان هزینه بسیار کم تری نسبت به روش های دیگر تولید الکتریسیته برق نا محدود با ولتاژ بالایی به دست آورد. مزیت این طرح این است که هزینه به صورت یک جا و یک بار برای همیشه پرداخت می شود.
کلید واژه: آند،پیل الکتروشیمیایی،کاتد،گرافن.
-1 مقدمه
بیش از 130 سال است که بشر الکتریسیته را به عنوان عضو مهمی در زندگی روزمره خود پذیرفته است.در طی این سالها بشر توانسته از منابع گوناگون برای خویش الکتریسیته تولید کند از این رو منابعی ک بتوانند استمرار داشته باشند و میزان الکتریسیته بیشتری را تولید کنند و از همه مهم تر هزینه کمتری را داشته باشند در اولویت قرار دارند که این موضوع حامیان محیط زیست را دچار نگرانی کرده است و دانشمندان نیز بدنبال راه هایی برای جلو گیری از آسیب به محیط زیست هستند و در این زمینه ب موفقیت هایی رسیدند اما این راه ها فقط توانستند آسیب راه کاهش دهند بعنوان مثال توربین های بادی برخلاف گازها و سوخت های فسیلی گازهای سمی و گلخانه ای تولید نمیکنند اما با صدای مهیبی ک دارند باعث اختلال در رفتار پرندگان می شوند این توربین ها باید جایی ساخته شوند که حداق زندگی در آنجاجریان داشته باشد زیرا که باعث اختلال در کار پرندگان و درختان می شوند به این خاطر که درختان اثر منفی بر روی گردش باد دارند و باعث آسیب به درختان می شود.
یکی دیگر از روش هایی تولید برق که در اروپا رواج دارد و باعث اسیب به محیط زیست می شود تولید برق از روش انرژی هسته ای است که به دلیل کمبود مواد اولیه محدود است.در این روش پر هزینه زباله های پرتوزایی بوجود می آیند ک از بین نمیروند و دفن می شوند.این تشعشعات برای انسان نیز بسیار مضر می باشد اما دفع آنها از تشعشعات جلوگیری نمی کند و محیط زیست اطراف خود که غالباً دریاها و غارها هستند را تهدید می کند.روش دیگری که برای تولید برق استفاده می شود و روش پرکاربردی است استفاده از توربین های آبی در سدها می باشد که آن هم داری ایرادهایی از جمله تغییر مسیر رودخانه کاهش گونه های آبزی و پرندگان کاهش سطح اکسیژن کاهش تراکم در اطراف رودخانه ها تولید گاز متان و شکست سد به دلایل مختلف مانند بلایای طبیعی و خرابکارانه است.انرژی دیگری که از آن به عنوان منبع تولید برق استفاده می کنند انرژی زمین گرمایی است.
در این روش نیروگاه های عظیم و پرهزینه ساخته می شود و از اعماق زمین برای کسب انرژی استفاده میکند.در این روش آب به قسمت های میرود ک به آب برخورد نداشته اند و این باعث آلوده شدن بخار حاصل از تبخیر این آب ها می شود.ایراد دیگر این شیوه این است که آبی ک برای مصرف این نیروگاه ها استفاده می شود توسط عناصری مانند جیوه آرسنیک و آنتیموان سمی می شود.این شیوه که بدلیل سرد شدن زمین ظرفیت آن کم و کمتر می شود باعث آسیب به محیط زیست می شود پس نمیتواند روش قابل قبولی برای حامیان محیط زیست باشد.البته در این میان روش هایی وجود دارد که به محیط زیست نمیرسانند اما بازده آن ها مطلوب نیست مانند انرژی خورشیدی که فضای زیادی را اشغال میکند بسیار پر هزینه استدر زمستان و مناطق استوایی و بارانی تا حدود زیادی کارایی خود را از دست میدهد شب هنگام نیز نمی توان از آن استفاده کرد.
منابعی که در مورد آن ها صحبت کردیم منابعی متعارف از جنس نور آب باد و انرژی گرمایی زمین مواد پرتوزا بود.در این میان یک منبع غنی به فراموشی سپرده شده است که نام آن خاک است.البته در نقاط مختلف دنیا تلاش برای استفاده از خاک انجام شده و بازده مناسب نداشته است.یکی از این تلاش ها در ایالت متحده آمریکا اتفاق افتاده است که به کمک باکتری ها انجام می شود اما این روش به دلیل کشت و تغذیه باکتری و همچنین مقدار انرژی تولید شده پر هزینه و بازده آن بسیار ناچیز است.ما در این مقاله به دنبال روشی برای گرفتن الکتریسته از خاک به طوری که ولتاژ آن بالا باشد و به محیط زیست آسیب نرساند.این روش با استفاده از علم الکتروشیمی امکان پذیر است.
در این روش می توان از عمق 3 تا 5 متری خاک الکتریسیته بسیار قوی به کمک دو فلز ارزان قیمت املاح خاک و یک ماده آلی از جنس کربن بدست آورد.در این روش خاک باید مرطوب باشد و با توجه به عمق مورد نظر مرطوب کردن هر سال یکبار امکان پذیر است و نکته جالب وحائز اهمیت این است که با اعمال میدان الکتریکی میدان مقدار تولید الکتریسیته را کنترل کرد.طبق تخمین ها و محاسبات انجام شده این روش می تواند حداقل به مدت 20 سال از خاک برق بگیرد. این روش بسیار ارزان قیمت تر از روش های دیگر است و می توان در محل تولید از آن استفاده کرد در واقع هزینه جابجایی حذف شده است.این خصوصیت می تواند کارایی بسیار زیادی داشته باشد مانند روشن کردن لامپ های داخل شهر برق خانه ها مراکز اداری و تجاری نورافکن ها و ...را تأمین کند.
البته لازم به ذکر است که اگر از آلیاژهای مناسب نیز استفاده شوده بازدهی طرح بیشتر می شود.طبق فرضیات و محاسبات انجام شده حداقل ولتاژ خروجی از این شیوه 220 ولت بوده که مناسب مصرف خانگی است که می توان آن را با میدان الکتریکی افزایش ماده عالی افزودن آلیاژ و رطوبت خاک افزایش داد.نکته بسیار مهم این است که این شیوه مربوط به جابجایی اکترون ها بوده که به خود عنصر باز میگردد و آسیبی به خاک و محیط زیست اطرافش نمی رساند.این گروه امید وار است که بتواند الکتریسته را ارزان و با بازده بالا و از همه مهمتر حافظ محیط زیست تولید کند.این گروه درحال کار بر روی شبیه سازی و انجام آزمایشات مربوطه برای ارائه در مقاله بعدی می باشد.به امید جهانی پاک و محیط زیستی سالم.
-2 گرافن
همانطور که در مقدمه گفته شد روش های پیشین تولید برق دارای مضراتی برای محیط هستند البته این روش ها ایرادات ساختاری و اقتصادی نیز دارند.در روشی که این گروه درنظر گرفته می توان با ساخت پیل شیمیایی و با استفاده از ماده ای به نام گرافن که از گرافیت تولید می شود برق تولید کرد.اکنون به تو ضیحاتم درمورد گرافن می پردازیم:همانطور که قرن بیستم را به علت انقلاب عظیمی که کشف و توسعه پلاستیک به همراه داشت، عصر پلاستیک نامگذاری کردهاند به نظر میرسد قرن بیست و یکم نیز عصرگرافن نامگذاری گردد. گرافن یک ماده خارق العاده و خالص است که به علت ساختار ساده و منظمش - برخاسته از چیدمان مرتب تنگاتنگ اتمهای کربن در آن - دارای ویژگیهای منحصر به فرد و قابل توجهی است، ویژگیهایی که هر یک میتوانندانقلابی بزرگ در حوزههای مختلف علم و صنعت ایجاد کنند.
به طور مثال پیوند اتمی کربن غیرفلزی است و شاید این طور به نظر برسد که گرافن نیز بایستی به سبب ساختار کربنی خود دارای خواص غیرفلزی باشد حال آنکه به صورت حیرت انگیزی رفتار آن بیش از آنچه که باید به فلزات شبیه است، از استحکام بسیار بالای آن گرفته تا توانایی رسانش فوق العادهاش به نحوی که موجب شده برخی دانشمندان آن را به عنوان نیمه رسانا یا نیمه فلز به شمار بیاورند. شاید به نظر برسد که مادهای تا این حد شبیه به فلزات بایستی بسیار سفت و سخت نیز باشد اما اگر اینطور فکر میکنید باید بدانید که در اشتباهید چرا که ویژگی قابل توجه دیگر گرافن انعطاف پذیری بالای آن است. در واقع استحکام و نرمی هر دو در این مادهی شگفت انگیز به خوبی قابل مشاهدهاند.
به نظر شما علت این همه ویژگیهای خاص و متمایز و تواناییهای به ظاهر متناقض و در عین حال بسیار کاربردی گرافن چیست ؟ برای پاسخ بایستی کمی به عقب برگردیم و از جدول تناوبی عناصر شروع کنیم. همانطور که میدانید تا به حال 94 عنصر در طبیعت شناخته شده است. عنصر کربن که در جدول تناوبی عناصر آن را با حرف C انگلیسی نمایش میدهند و در دسته نافلزات قرار میگیرد یکی از همین عناصر طبیعی است و دارای سه ایزوتوپ است؛ یعنی در طبیعت، سه اتم کربن با عدد اتمی - تعداد پرونهای هسته - یکسان و عدد جرمی متفاوت - مجموع پروتونها و نوترونهای هسته - وجود دارد که اعداد جرمی آنها 13،12 و 14 است؛ از این میان کربن 13 و کربن 12 پایدار هستند.
نکته مهم در مورد کربن، دگرشکلهای - ایزوتروپ - مختلفی است که بخاطر خواص ویژهاش در طبیعت یافت میشود؛ از الماس گرفته که جزو سختترین مواد دسته بندی میشود تا مغز مداد سیاه شما که از این به بعد آن را با نام گرافیت میشناسیم، جزو دگرشکلهای کربن هستند.شایان ذکر است که از نظر آرایش الکترونی، هر اتم کربن دارای چهار الکترون آزاد است که قابلیت برقراری چهار پیوند را برای آن مهیا میکند در واقع اتمهای کربن، چهار ظرفیتی هستند.حال زمان پاسخ به پرسش مطرح شده در قسمت بیاندیشیم فرا رسیده است: "علت اثری که نوک مداد سیاه شما هنگام نوشتن بر کاغذ از خود به جا میگذارد چیست ؟" پیشتر گفتیم که عنصر سازنده گرافیت، کربن است.
هر اتم کربن، سه اتم از میان چهار اتم آزاد خود را توسط پیوند کوالانسی - نافلز-نافلز - به اشتراک میگذارد و به این نحو صفحهای از شش ضلعیهای متصل به هم تشکیل میگردد . در میان این صفحات که آنها را صفحات گرافن مینامیم و شبیه لانه زنبور هستند، نیروی ضعیف واندوالس حاکم است؛ که باعث میشود این صفحات به راحتی روی هم بلغزند؛ همین ویژگی سبب ایجاد ردی از مداد بر کاغذ میشود. در اثر فشار دست شما به مداد هنگام نوشتن، صفحات گرافن روی هم لغزیده و از ساختار گرافیتی مغز مداد جدا شده، روی کاغذ مینشینند.به طور خلاصه، گرافن ساختاری دو بعدی و یک شبکه ششضلعی از اتمهای کربن است که با پیوند کوالانسی کنار یکدیگر قرار گرفتهاند. گرافن انواع مختلف یک، دو و چند لایه دارد که هر یک خواص و همچنین کاربردهای منحصر به فرد خود را دارند؛ در ضمن گرافن یکی از دگر شکلهای کربن به حساب میآید.
-3 چه ویژگیهایی باعث اهمیت گرافن شده است؟
همانطور که قبلا گفتیم اتمهای کربن در ساختار لانه زنبوری گرافن توسط نیروی کوالانسی با هم پیوند دارند. نیروی کوالانسی یکی از قویترین نیروهای بین اتمی موجود در طبیعت است به همین دلیل، گرافن با وجود نازکی، یکی از سختترین مواد به حساب میآید. گرافنهای چند لایه با
