نانوتسمه‌هایی برای تولید انرژی پاک در سکونت‌گاه‌های آینده مریخ

به گزارش ادونسد ساینس نیوز، وقتی صحبت از مواد معدنی خاص به میان می‌آید، لزوما مواد بزرگ‌تر همیشه بهتر نیستند. در برخی موارد، کاهش مقیاس تا اندازه نانو می‌تواند یک توده سنگ را به یک ماده بسیار کاربردی تبدیل کند.

کار کردن روی نانومواد و کاربرد آنها در فناوری‌های پایدار روی زمین، «کانر بولاند»(Conor Boland) پژوهشگر دانشکده علوم ریاضی و فیزیک «دانشگاه ساسکس»(University of Sussex) را به سوی یک مسیر غیرمنتظره سوق داد. این مسیر جدید، تولید انرژی پاک برای جامعه‌ آینده ساکن مریخ بود.

فلسفه اصلی کار بولاند، انجام دادن تحقیقات سازگار با محیط زیست است که می‌تواند برای جامعه سودمند باشند. به همین دلیل، او می‌خواست با چیزی که در حال حاضر مورد استفاده است، چیز جدیدی بسازد.

سنگ گچ یک ماده معدنی مناسب است زیرا معمولا در همه چیز از مصالح ساختمانی گرفته تا منسوجات و مکمل های غذایی استفاده می‌شود. همچنین، سنگ گچ با سایر مواد معدنی مورد استفاده در ساخت نانومواد متفاوت است و بولاند در مورد پتانسیل آن کنجکاو بود.

یک چالش پایدار

برای بولاند، هر روش تولید جدید باید پایدار باشد. این بدان معناست که باید محدودیت‌هایی برای انواع فرآیندها، مواد شیمیایی و روش‌های مورد استفاده ایجاد شوند. یکی از این محدودیت‌ها، منع استفاده کردن از حلال‌های خشن است. در نتیجه، گروه بولاند روی استفاده کردن از شیمی مبتنی بر آب و فرآیندهای کم‌انرژی تمرکز دارند و اتفاقا بولاند از این محدودیت‌ها لذت می‌برد. بولاند گفت: من معتقدم محدودیت‌ها در واقع آن را سرگرم‌کننده می‌کنند زیرا به این معنی هستند که باید مدام فکر کنید.

پس از چند آزمایش اولیه، بولاند مطمئن بود که نانومواد ساخته‌شده از سنگ گچ می‌توانند ویژگی‌های الکتریکی جالب و احتمالا سودمندی داشته باشند. وی افزود: فکر می‌کنم بدترین سناریویی که من حدس زدم، این است که نانوماده ساخته‌شده از سنگ گچ، عایق الکتریکی باشد.

نانوتسمه به اندازه و شکل خاصی از نانومواد اطلاق می‌شود که قطعات تولیدشده آنها، طولانی‌تر از عرض و نازک‌تر از طول یا عرض آنها هستند. نانوتسمه‌ها در نتیجه شکل و ساختار خود، ویژگی‌های منحصربه‌فردی دارند و کاربردهای بالقوه‌ای را در دستگاه‌های کاربردی مانند حسگرها و ترانزیستورها نشان می‌دهند.

زمانی که بولاند عمیق‌تر به این موضوع فکر کرد، فرصت یافت که یک چالش را به وجود بیاورد.

تولید نانومواد مریخی

بولاند هنگام جستجوی پیشرفته‌ترین کاربردهای سنگ گچ، به روشی برخورد که ناسا برای استخراج کردن آب از سنگ گچ موجود در سطح مریخ ایجاد کرده بود. این روش، «انیدریت»(Anhydrite) را تولید می‌کند که نوعی سنگ گچ خشک‌شده است. این موضوع باعث شد تا بولاند و گروهش به این فکر بیفتند که ساکنان آینده مریخ می‌توانند از انیدریت در ساختن نانوتسمه‌هایی برای کاربردهای گوناگون فناوری مانند افزایش دوام یا سفتی مصالح ساختمانی استفاده کنند.

اگر آنها بتوانند روشی را ایجاد کنند که به آموزش کمی نیاز داشته باشد، فقط از منابع موجود در مریخ استفاده کند و فناوری‌های قابل انتقال به مریخ را به کار ببرد، یک سکونت‌گاه مریخی آینده احتمالا با این روش می‌تواند نانومواد ارزشمندی را برای خود تولید کند.

بولاند با توضیح دادن در مورد یک قطعه سنگ گچ که آزمایشگاه او از یک فروشگاه زمین‌شناسی خریداری کرده بود، گفت: ما اساسا کار خود را با سنگ آغاز کردیم.

پس از تمیز کردن خاک و گل، آنها دست به کار شدند تا مواد معدنی را تجزیه کنند و به اندازه‌های نانوتسمه برسانند. به گفته بولاند، گروه بر این باور بودند که ابتدا باید سنگ گچ را پس از تجزیه به مقیاس نانو برسانند و سپس بیشتر آن را آب‌گیری کنند تا انیدریت به همان شکل موجود در مریخ تولید شود. برای ساده نگه داشتن همه چیز از آب و انرژی مکانیکی گرفته تا انرژی صوتی، فرآیندی به نام فراصوت برای شکستن سنگ استفاده شد و با کمال تعجب، همین کافی بود. بولاند گفت: این روش از طریق پردازش ما، نانوتسمه‌ها را ایجاد کرد و محصولات جانبی را به وجود آورد که ناسا با آنها کار می‌کند.

آنها اکنون یک راه ساده را در تولید نانوتسمه  برای سکونت‌گاه‌های مریخ داشتند. بولاند توضیح داد: شما فقط می‌توانید انیدریت ‌ساخته‌شده توسط ناسا را با آب مخلوط کنید، انرژی صوتی را به آن اضافه کنید و سپس، انیدریت را به نانوتسمه‌ها تجزیه کنید.

این محلول نانوتسمه-آب را می‌توان بیرون ریخت و اجازه داد تا آب تبخیر شود و نانوتسمه‌ها آماده استفاده شوند. علاوه بر این، آب را در هر مرحله می‌توان به طور مداوم جمع‌آوری و بازیافت کرد.

گروه هنگام آزمایش کردن عملکرد این ماده جدید، یک شگفتی دیگر را مشاهده کردند. آنها با استفاده از یک سانتریفیوژ ساده برای اندازه‌گیری نانوتسمه‌های انیدریتی، گستره‌ای بزرگ‌تر از حد انتظار از نوارهای ممنوعه را پیدا کردند که تعیین می‌کند جریان چقدر می‌تواند از یک ماده عبور کند و پایه تجهیزات الکترونیکی مانند ترانزیستورها و مدارهاست.

با توجه به این که یک سانتریفیوژ در حال حاضر در «ایستگاه فضایی بین‌المللی» استفاده می‌شود، بولاند احساس کرد آنها واقعا روشی دارند که می‌توان از آن در سکونت‌گاه‌های مریخی بدون حضور متخصص علوم نانو استفاده کرد. بولاند توضیح داد: هرکسی می‌تواند این ماده معدنی را به دست بیاورد، آن را در آب بگذارد، مخلوط کند و سپس در یک سانتریفیوژ قرار دهد. این کار فقط با فشردن دکمه‌ها انجام می‌شود.

تولید تجهیزات الکترونیکی در مقیاس کامل، به اتاق‌های تمیز و شرایط استریل نیاز دارد که احتمالا در سکونت‌گاه‌های مریخ در دسترس نخواهند بود اما نانوتسمه‌های انیدریت ممکن است الهام‌بخش ساخت تجهیزات الکترونیکی روی زمین باشند. در هر حال، آنها هنوز هم می‌توانند تأثیر عمیقی را برای تولید انرژی پاک در سکونت‌گاه‌های مریخ داشته باشند.

مریخ؛ جامعه پایدار

هدف بولاند این بود که سکونت‌گاه‌های مریخ از ابتدا به یک جامعه پایدار تبدیل شوند. وی افزود: به همین دلیل است که ما به واکنش تکامل هیدروژن علاقمند هستیم.

این واکنش، راهی برای تولید هیدروژن به عنوان سوخت پاک است. این روش به یک اسید رقیق‌شده در آب نیاز دارد تا به عنوان الکترولیت عمل کند و تعدادی الکترود نیز برای عبور جریان از آن مورد نیاز هستند.

نانوتسمه‌های انیدریت به عنوان الکترودهای احتمالی مورد آزمایش قرار گرفتند و نتایج مثبت بود. بولاند گفت: آنها با بیشتر انواع دیگر نانوورقه‌ها و نانولوله‌هایی که قبلا برای واکنش‌های مشابه استفاده می‌شدند، هم‌تراز هستند.

مهم‌تر از همه این است که پژوهشگران، امکان‌سنجی این فرآیند در مریخ را به دقت ارزیابی کردند. بولاند گفت: ما به طور انتقادی ارزیابی کردیم که آیا می‌توانیم دقیقا همین آزمایش را روی مریخ انجام دهیم یا خیر. تنظیم ما اساسا به اسیدی نیاز دارد که به طور طبیعی روی مریخ و در آب تشکیل شود.

همه مواد در جای خود قرار دارند و آغاز کردن کار آن قدر ساده است که هر کسی می‌تواند آن را اجرا کند. این اثبات مفهوم، تخیل را تحریک می‌کند و نشان می‌دهد که روزی ممکن است مواد سودمندی با استفاده از منابع بومی مریخ تولید شوند اما همچنین نشان می‌دهد که چگونه تفکر هوشمندانه و حل مسئله می‌تواند به ارائه دادن فناوری‌های پایدارتری مانند تجهیزات الکترونیکی مبتنی بر انیدریت روی سیاره ما کمک کند.

بولاند گفت: به عنوان یک گروه، ما واقعا در تلاش هستیم که دوست‌دار محیط زیست باشیم و به تأثیر واقعی پژوهش نگاه کنیم.

این پژوهش در مجله «Advanced Functional Materials» به چاپ رسید.