برگ مصنوعی با بهره‌گیری از عناصر فرایند فتوسنتز و با تقلید عملکرد برگ طبیعی، قادر به تولید انرژی از نور خورشید و آب است.

به گزارش سرویس فناوری خبرگزاری دانشجویان ایران (ایسنا)، برگ مصنوعی در حقیقت یک ویفر سیلیکونی با پوشش کاتالیستی ساده است؛‌ زمانی که دستگاه درون آب یا در معرض نور خورشید قرار می‌گیرد، کاتالیست ها اقدام به شکستن آب با ترکیبات هیدروژن و اکسیژن می‌کنند که این حباب ها جمع آوری شده و برای تولید برق در سلول های سوختی استفاده می‌شوند.

 «دانیل نوسرا» سرپرست تیم تحقیقاتی دانشگاه هاروارد تأکید می‌کند: برگ مصنوعی دستگاهی است که با استفاده از ترکیبات کاتالیستی متصل به سیلیکون، آب را به حباب‌های هیدورژن و اکسیژن تبدیل می‌کند.

 هیدروژن تولید شده از نخستین دستگاه برگ مصنوعی می‌تواند برای تولید برق در سلول‌های سوخت در شارژ تلفن همراه یا دستگاه های برقی کوچک مورد استفاده قرار بگیرد.

«نوسرا» میگوید: پیشرفت های اخیر در حوزه کاتالیست ها باعث شده است که بتوان علاوه بر آب آشامیدنی، از آب های غیر تصفیه شده نیز برای تولید انرژی با برگ مصنوعی استفاده کرد.

 حدود 100 گالن آب می تواند 100 وات برق در مدت 24 ساعت شبانه روز تولید کند که این دستگاه را به جایگزین مناسبی برای مناطق دور از شبکه برق تبدیل می کند، اما این فناوری فاصله زیادی برای جایگزین شدن با روش های سنتی تولید برق دارد.

 این پروژه با حمایت مالی بنیاد ملی علوم، وزارت انرژی و مرکز تحقیقات علمی نیروی هوایی آمریکا انجام شده و نتایج آن هشتم آوریل (نوزدهم فروردین) در کنفرانس ملی انجمن شیمی آمریکا در نیواورلئان ارائه شد.

پژوهشگران دانشگاه هاروارد، برگی مصنوعي براي توليد برق ساخته اند که از توانايي خود ترميمي برخوردار بوده و با بهره گيري از فرآيند فتوسنتز و تقليد عملکرد برگ طبيعي، از نور خورشيد و آب، انرژي توليد مي کند. اين خاصيت موجب مي شود اين برگ مصنوعي ابزار مناسبي براي توليد برق در مناطق دورافتاده باشد. با اين حال، اين ابزار به جاي برخورداري از سازوکارهاي پيچيده فتوسنتزي در برگ هاي طبيعي، در واقع ورقه نازکي از سيليکون ساده داراي پوشش کاتاليستي است. وقتي که اين برگ درون ظرفي از آب انداخته مي شود و در معرض نور خورشيد قرار مي گيرد، کاتاليست هاي موجود در اين ابزار، آب را به اکسيژن و هيدروژن تجزيه مي کنند. اين گازها حباب هايي را شکل داده که مي توان آن ها را به عنوان سوخت براي توليد برق در پيل هاي سوختي جمع‌آوري کرد.در ساخت این برگ انژری ساز از موادی مانند سیلیس و چند نوع فلز که خاصیت کاتالیزوری دارند استفاده شده است اما برای به کار افتادن به هیچ منبع انرژی خارجی مانند برق نیاز ندارد.

دانیل نوسرا، استاد موسسه فناوری ماساچوست، که در این اختراع نقش اصلی را ایفا کرده است می گوید برای به کار انداختن این برگ که در واقع یک دستگاه کوچک تولید انرژی است، فقط کافی است آن را در داخل یک ظرف آب قرار دهیم و آن را در معرض نور خورشید بگذاریم. به محض اینکه چنین شرایطی فراهم شود در یک طرف برگ به سرعت حباب های اکسیژن و در طرف دیگر آن حباب های هیدروژن تولید می شود.

اگر این برگ در محیطی مجهز به یک جداره قرار گیرد که بتواند دو سطح برگ را از هم جدا کند، می توان حباب های اکسیژن و هیدروژن تولید شده را ذخیره کرد تا در مراحل بعدی از آنها برای تولید برق استفاده کرد.

دانیل نوسرا تصریح کرد به این ترتیب اگر حباب های اکسیژن و هیدروژن در یک پیل قرار داده شوند بار دیگر با یکدیگر ترکیب خواهند شد و برق تولید خواهند کرد. به گزارش خبرگزاری فرانسه، این برگ انرژی ساز که در آب معمولی نیز کار می کند، به طور کلی از مواد و فلزاتی مانند سیلیس، کبالت و نیکل ساخته شده است که هم فراوان و هم ارزان قیمت هستند.

در ساخت دیگر دستگاه ها که برای تولید انرژی با استفاده از نور خورشید ساخته شده اند، محلول ها و فلزاتی مانند پلاتین به کار رفته است که هم کمیاب هستند و هم گران قیمت.

گیاهان و خزه‌های دریایی قادرند تا به کمک واکنش‌های شیمیایی، کلروفیل و آب، انرژی خورشید را برداشت کنند. ما هم توانسته‌ایم از انرژی خورشید به شکل الکتریسیته استفاده کنیم اما آنچه گیاهان انجام می‌دهند تبدیل انرژی خورشید به غذا برای گیاه است که در بخش‌های مختلف گیاه ذخیره می‌شود. 
طی سال‌های اخیر قدم‌های بزرگی در این زمینه برداشته شده تا بتوان چنین کاری به صورت مصنوعی انجام داد و از طریق این فرآیند سوخت‌های زیستی تولید کرد. در سال ۲۰۱۱ اولین برگ‌های مصنوعی مقرون به صرفه و پایدار ساخته شدند. در سال ۲۰۱۳ یک قدم به جلو برداشته شده و برگ‌هایی با خاصیت خودترمیمی ساخته شد که می‌توانستند در آب‌های ناخالص و آلوده زنده بمانند. اکنون محققین مجدداً کار بر روی این موضوع را آغاز کرده‌اند و توانسته‌اند برگ‌هایی با عملکردی بهتر از عملکرد برگ‌های طبیعی تولید کنند.

 برگ مصنوعی جدید نیز حاصل کار دو استاد دانشگاه هاروارد در رشته بیوشیمی به نام‌های دنیل نوکرا و پاملا سیلور است. این برگ جدید درون آب قرار گرفته، شروع به جذب آب کرده و سپس مولکول‌های آب را به گازهای هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌کند. هر دوی این گازها قابل برداشت و استفاده در سلول‌های (پیل‌های) سوختی هستند. علاوه بر این در حال حاضر از هیدروژن به کمک باکتری‌های اصلاح شده از لحاظ ژنتیکی برای تولید سوخت‌های زیستی استفاده می‌شود.

انرژی خورشیدی به وفور در دسترس است و به عنوان ساده ترین و تمیز ترین نوع از انرژی تجدید پذیر شناخته می شود. با این حال مشکل اصلی در ارتباط با بهره برداری از انرژی خورشیدی، نصب کلکتورهای خورشیدی بزرگ که فضای زیادی را اشغال می کنند است. با پیشرفت تکنولوژی درختان مصنوعی این مشکل را حل کردند. از نظر فنی حتی با تکنیک های پیشرفته bioprinting ما نمی توانیم درختان واقعی را ایجاد کنیم. اما دانشمندان در مرکز فنی فنلاند (VTT) موفق شدند از مواد آلی و فن آوری پرینتر سه بعدی، درختان مصنوعی تولید کنند که از سلول های آن برای برداشت انرژی خورشیدی و جذب ارتعاشات و تولید انرژی جنبشی از وزش باد استفاده می شود. این درختان که توسط فناوری پرینتر سه بعدی تولید شده اند فقط یک نمونه اولیه هستند، اما ایده دانشمندان برای تولید این درختان در مقیاس وسیع، برداشت انرژی با هدف سازگاری با محیط زیست است.

این درختان از انرژی تجدید پذیر مانند خورشید و باد استفاده می کنند و به معنای واقعی کارآمدتر و سازگار با محیط زیست هستند. این بهترین گزینه تولید انرژی است چرا که نیاز به زمین بسیار کمتر است و انرژی بسیار موثرتری نسبت به سیستم سنتی سلول های فتوولتائیک تولید می کند. بسته به محل و اندازه سیستم، یک درخت می تواند ۲۰۰۰ تا ۱۲۰۰۰ کیلووات ساعت در سال برق تولید کند.

تل های خورشیدی هر برگ فقط ۲/۰ میلی متر ضخامت دارند و از لایه های پلیمری و مغناطیسی تشکیل شده اند. برگ ها و لایه های آن از طریق پرینتر سه بعدی ایجاد می شوند و هر برگ شامل اتصالات دقیق برای سیم کشی و سلول های فتوولتائیک است. سطح این سلول ها دقیقا ۰۱۴۴/۰ متر مربع است که آن گونه که شرکت سازنده آن ادعا کرده ۲۰۰ برگ از آن برای ایجاد شدت جریان ۲/۳ آمپر برق مناسب خواهد بود. اگر آن ها را در یک فضای باز به مساحت یک متر مربع قرار دهیم می توانند در آب و هوای آفتابی ۴/۱۰ وات برق تولید کنند.

برگ کوچک این درختان انرژی خورشیدی را تولید و ذخیره می کند و می تواند در وسایل برقی کوچک و شارژ تلفن های همراه استفاده شود. برگ هر درخت در واقع سلول های خورشیدی انعطاف پذیر ارگانیک هستند که با استفاده از تکنولوژی تولید انبوه چاپ شده اند. هر برگ دارای یک مبدل برق جداگانه است که در کنار هم یک سیستم چند مبدله را ایجاد می کنند و این امکان را فراهم می کند که از منابع مختلف انرژی مثل خورشیدی, بادی و اختلاف دما انرژی را جمع آوری کند. هرچه مقدار پنل های خورشیدی در هر یک از این درختان بیشتر باشد انرژی بیشری را می توان برداشت کرد. تنه درختان توسط پرینتر سه بعدی ایجاد شده و ماده آن چوب بر پایه ی بایوکامپوزیت است. آن ها نیز قابلیت تولید انبوه را دارند و می توان مقدار زیادی از آن ها تولید کرد.
ویژگی بزرگ این درخنتان این است که می توانند مواد غذایی خود را توسط فرآیند فتوسنتز فراهم کنند. برگ سبز درختان مواد غذایی را برای انسان فراهم می کنند و برگ های خورشیدی نیز انرژی را برای انسان ها فراهم می کنند.