Doğa, bizlere ücretsiz üç enerji kaynağı sunmaktadır; güneş ışığı, rüzgar ve yerçekimi. Güneş ve rüzgar enerjisinin kullanımı giderek yaygınlaşırken yerçekimi bu iki enerji kaynağının daha gerisinde kalmaktadır.
Akan suyun gücünden enerji üreten hidroelektrik santrallerinin kurulumunda baraj alanı sıkıntısı yaşanmaktadır. Buna karşılık, okyanuslar Dünya’nın yaklaşık %70’ini kaplar. Gece – gündüz ne olursa olsun bol miktarda bulunan bu enerjiyi yakalamak için çok küçük arazi alanı yeterlidir. Ayrıca güvenlik endişeleri çok daha azdır. Ancak bu “mavi enerji” yaygın olarak kullanılmıyor. Bugünün dalga çiftlikleri bir kasabanın elektrik enerjisini sağlamak için 1-10 MW kapasitede kuruluyor.
Günümüzde ticari anlamda dalga çiftliklerinin bulunmamasının esas nedeni teknolojik zorluklardır. Dalga enerjisinden elektrik üreten sistemler büyük ve ağır jeneratörler (üreteçler), pervaneler, mıknatıs ve bobinlerden oluşmaktadır. Elektromıknatısları desteklemek veya onları sabitlemek için okyanus tabanına kuleler inşa etmek teknik açıdan zor ve pahalıdır. Yüzey şamandıraları kıyıdaki jeneratörü çalıştırmak için deniz tabanındaki pompalara bağlanabilir, ancak derin suda veya açık okyanusta kullanılamaz. Daha temelde dalgalar, rastgele yönlerde yavaş akışlar ve titreşimler içerir. Bu durum, elektromanyetik jeneratörler için kötü bir çalışma ortamıdır.
Dalga gücünü yakalamak için radikal olarak farklı yollara ihtiyacımız var. Bunun için dalgalar gibi nispeten yavaş olan insan hareketlerinden enerji alan yeni teknolojilerden ilham almamız gerekiyor.
Georgia Teknoloji Enstitüsü’nden profesör Zhong Lin Wang ve araştırma grubu bu yönde cihazlar geliştiriyor. Bunlar, kalp atışlarıyla yönlendirilen tıbbi sensörlerden aydınlatma, sağlık bakımı ve güvenlik için elektrik üreten paspaslara kadar uzanıyor. Bazı malzemeler birbirine sürtüldüğünde oluşan statik yüklerden etkilenirler – plastik tarak yüne sürtüldüğünde olduğu gibi. Sürtünmeden elektrik toplama, basınçla bir akım oluşturan piezoelektrik malzemelerden daha verimli ve daha ucuzdur.
Hareket temelli cihazların ölçeklendirilmesi ve çoğaltılmasının, on yıl içinde dalga enerjisi topluluğunu değiştirebilir. Mavi enerji rüyası şimdilik erken bir aşamada; Bu vizyonda pek çok teknik engelin aşılması gerekiyor. Bunlar arasında jeneratör malzemelerinin ve tasarımlarının verimliliğini ve dayanıklılığını artırmak, onları açık okyanusta çalışan büyük ağlara bağlamak ve elektrik üretir & karaya nakleder hâle getirmek var.
Enerji Ağları
Elektriksel iletimi kötü olan malzemeler – kağıt, cam ve plastikler – birbirlerine sürtüldüğünde yüzeylerinde statik elektrik oluşur. Bu ‘triboelektrik’ elektrotlar kullanılarak boşaltılabilir. İki şerit dielektrik malzemenin (yüzeylerinde karşıt yükler tutabilen) hareket ettirilmesi bir akımın akmasına neden olur. Bu yöntem, mekanik enerjinin %50’sini hareketlerden elektriğe dönüştüren elektromanyetik jeneratörler kadar etkilidirler. Piezoelektrik yöntemler ise yalnızca %10’u kadar dönüştürmektedir.
Dalga enerjisini yakalamak için, nanojeneratörlerin (nano-jeneratörlerin) su geçirmez şamandıralara dahil edilmesi gerekir. Bir çeşit dielektrik malzemeden yapılmış bir top, hareket ettikçe yükler oluşturmak üzere başka bir küre içine sarılır. Bu işlemin yavaşça olmasını sağlamak için top kısmen havayla doludur.
Credit: Claire Welsh/Nature
Nanojeneratörlerin üretiminde politterfloroetilen, kauçuk, polidimetilsiloksan, silisyum, florinatlı etilen propilen, kapton (bir poliimid film) ve metal folyolar (alüminyum, bakır veya çelik) gibi ucuz, konvansiyonel malzemeler kullanılır. Bu malzemeler on yıl boyunca okyanustaki kapalı bir ünitede tutulmalı ve ondan sonra deniz kirliliğine neden olmamak için geri kazanılmalı ve geri dönüştürülmelidir.
Üretilen güç, nanojeneratörlerin dalgalarla ne kadar hızlı hareket ettiğine göre değişir. Yön önemli değildir. Saniyede iki veya üç kez çalkalanırsa, her bir birim yaklaşık 1-10 milliwatt’lık bir güç üretir. Birçok cihaz daha elektrik üretmek için iletken kablolarla bağlanabilir. Şu ana kadar, konseptin 4 metrekare üzerinde 400 nanojeneratör bağlayarak çalıştığını gösterdik ve geliştirme çalışmaları devam ediyor.
Küçük bir ölçekte bile triboelektrik nanojeneratör ağlarının, yerel üretim tesisleri veya elektrik şebekesine faydalı miktarda güce katkıda bulunabileceğine inanılıyor. Teorik olarak, bir metreküplük alanda 10 santimetre aralıklarla yerleştirilen 1000 cihaz bir ampülü çalıştırmak için yeterli iken bir kilometrekarelik alanda ise bir kasaba için yeterli elektrik üretebilir. Günümüzün dünya enerji tüketimi, ABD’nin Georgia eyaletinin büyüklüğündeki bir okyanus alanının, her 10 santimetre aralıklarla ve yüzeyin altına 10 metre derinlikte uzanan aygıtlardan oluşan 3 boyutlu (3D) bir nanojeneratör ağı ile kaplanmasıyla karşılanabilir.
Üretilen elektriğin kablolarla karaya taşınması ya da yüzen platformda lokal olarak kullanılması gerekecektir. Güç, su moleküllerinden hidrojen yakıtı üretmek, tuzlu suyu saflaştırmak veya kirleticileri uzaklaştırmak amacıyla kullanılabilir. Işıklara veya navigasyon sistemlerine güç verebilir. Güneş panelleri ve rüzgar türbinleri, kombine bir yenilenebilir enerji santralinde nanojeneratör ağının yanında kurulabilir.
Teknik Zorluklar
Bu teknolojinin geniş çapta uygulanmasına bazı engeller vardır. Ana sınırlama muhtemelen nanojeneratörlerin dayanıklılığı olacaktır. Üretiminde kullanılan organik malzemeler tuzlu suda ve güneş ışığında bozunurlar. Su, kürelere girerse aygıtlar çalışmayı durdurur. Bu nedenle çatlaklar ve derzleri doldurmak amacıyla su altı kabloları için kullanılan oldukça yapışkan maddeler gibi yeni su yalıtım malzemeleri gerekebilir. Kabloların fırtınalara dayanacak kadar sağlam olması gerekir.
Mavi enerji ağlarının yerleri ve boyutları, halkın deniz yaşamı ve nakliye düzeninin bozulmasını en aza indirgemek için dikkatli seçilmelidir. Onları nakliye şeritleri ve kıyı şeritlerinden uzaktaki derin okyanusa koymak, insanların yaşam alanlarına müdahale etmesini önleyecektir. Fakat bu kadar uzaktaki bölgelere giden gücü taşımak zor olacaktır. Ağların yıkanmasını veya uçurulmasını önlemek için adalara ya da su altındaki tepelere sabitlenmesi gerekebilir. Ancak bu durumda da denizdeki yaşamı etkilememeleri gerekir.
Nanojeneratörler, onlarca yılda gelişen mevcut enerji santralleri ve güneş ve rüzgar teknolojileri ile rekabet edecekler mi? Güneş ve rüzgar çiftliklerinin enerji üretimi gece-gündüz ve farklı hava koşullarında dalgalandığından, gelecekte enerji üretmek için birçok yola ihtiyacımız olacak. Ayrıca gelişmekte olan ülkeler artan enerji ihtiyaçlarını karşılamak zorunda kalacaklar. Mavi enerji enerji üretiminin değerli bir parçası olabilir.
Hayali Gerçekleştirmek
Nanojeneratörlerin geliştirilmesi, birçok disiplinde endüstriyel ve akademik laboratuvarlardaki araştırmaları içerecektir. Yük hücrelerini verimli bir şekilde üretenler de dahil olmak üzere malzeme bilimcilerinin sağlam malzemeler tasarlamaları gerekecek. Elektrik mühendisleri, gücü yönetmek ve taşımak için en iyi yolları bulmalıyken, makine mühendisleri okyanustaki ağların davranışını modellemek ve optimize etmek zorunda kalacaklar. Çevre bilimcileri ve deniz biyologları, ağların çevresel etkilerini değerlendirmelidir. Mavi enerjiye ayrılmış bir araştırma enstitüsünün kurulması bu temiz, sürdürülebilir teknolojinin gelişimini hızlandıracaktır.
Teknolojik gelişmenin ilk aşaması 50 milyon dolar ile 100 milyon dolar arasında desteğe ihtiyaç duyacaktır. Özel yatırımcılar ve büyük enerji şirketleri gösteri ve test aşamalarını finanse etme konusunda yardımcı olabilirler. Küçük pilot ağlar adalar, tesisler veya köyler için dağıtılan güç kaynakları olarak geliştirilebilir. Güç yönetimi için malzeme ve teknolojilerin sağlanmasından kirletici uzaklaştırma veya su ayrıştırma gibi uç noktalara kadar ticari imkanlar bol miktarda bulunur. Yeterli yatırım ve teknolojik destekle umarım bir gün mavi-enerji ağları güneş paneli veya rüzgar türbinlerinden daha ucuza gidebilir.
Burak Kesayak
Kuark Bilim Topluluğu Popüler Bilim Yayın Grubu
Ondokuz Mayıs Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği
Endüstri 4.0 Platformu
Takip: https://twitter.com/BurakKesayak
Referans:
Zhong Lin Wang, Catch wave power in floating nets, Nature News, 01 Mart 2017
Image: Josh Humbert/NGC
