با استفاده از یک ماده معدنی که به طور طبیعی روی مریخ یافت می شود، انرژی و تجهیزات الکترونیکی را میتوان به راحتی و به طور پایدار در سکونت گاه های آینده سیاره سرخ تولید کرد.
به گزارش ایسنا به نقل از ادونسد ساینس نیوز، وقتی صحبت از مواد معدنی خاص به میان می آید، لزوما مواد بزرگتر همیشه بهتر نیستند. در برخی موارد، کاهش مقیاس تا اندازه نانو می تواند یک توده سنگ را به یک ماده بسیار کاربردی تبدیل کند.
کار کردن روی نانومواد و کاربرد آنها در فناوری های 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 می خواست با چیزی که در حال حاضر مورد استفاده است، چیز جدیدی بسازد.
سنگ گچ یک ماده معدنی مناسب است زیرا معمولاً در همه چیز از مصالح ساختمانی گرفته تا منسوجات و مکمل های غذایی استفاده می شود. 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 محدودیت هایی برای انواع فرآیندها، مواد شیمیایی و روش های مورد استفاده ایجاد شوند. یکی از این محدودیت ها، منع استفاده کردن از حلال های خشن است. در نتیجه، گروه بولاند روی استفاده کردن از شیمی مبتنی بر آب و فرآیندهای کم انرژی تمرکز دارند و اتفاقا بولاند از این محدودیت ها لذت می برد. بولاند گفت: من معتقدم محدودیت ها در واقع آن را سرگرم کننده می کنند زیرا به این معنی هستند که باید مدام فکر کنید.
پس از چند آزمایش اولیه، بولاند مطمئن بود که نانومواد ساخته شده از سنگ گچ میتوانند ویژگی های الکتریکی جالب و احتمالا سودمندی داشته باشند. او افزود: فکر می کنم بدترین سناریویی که من حدس زدم، این است که نانوماده ساخته شده از سنگ گچ، عایق الکتریکی باشد.
نانوتسمه به اندازه و شکل خاصی از نانومواد اطلاق می شود که قطعات تولیدشده آن ها، طولانی‌تر از عرض و نازک تر از طول یا عرض آن ها هستند. نانوتسمه ها در نتیجه شکل و ساختار خود، ویژگی های منحصربه فردی دارند و کاربردهای بالقوه ای را در دستگاه های کاربردی مانند حسگرها و ترانزیستورها نشان می دهند.
زمانی که بولاند عمیق تر به این موضوع فکر کرد، فرصت یافت که یک چالش را بوجود بیاورد.
تولید نانومواد مریخی
بولاند هنگام جستجوی پیشرفته ترین 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 می کند که نوعی سنگ گچ خشک شده است. این موضوع باعث شد تا بولاند و گروهش به این فکر بیفتند که ساکنان آینده مریخ میتوانند از انیدریت در ساختن نانوتسمه هایی برای کاربردهای گوناگون فناوری مانند افزایش دوام یا سفتی مصالح ساختمانی استفاده کنند.
اگر آن ها بتوانند روشی را ایجاد کنند که به آموزش کمی نیاز داشته باشد، فقط از منابع موجود در مریخ استفاده کند و فناوری های قابل انتقال به مریخ را بکار ببرد، یک سکونت گاه مریخی آینده احتمالا با این روش می تواند نانومواد ارزشمندی را برای خود تولید کند.
بولاند با توضیح دادن در مورد یک قطعه سنگ گچ که آزمایشگاه او از یک فروشگاه زمین شناسی خریداری کرده بود، گفت: ما اساسا کار خود را با سنگ آغاز کردیم.
پس از تمیز کردن خاک و گل، آن ها دست به کار شدند تا مواد معدنی را تجزیه کنند و به اندازه های 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 آب گیری 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، نانوتسمه ها را ایجاد کرد و محصولات جانبی را به وجود آورد که ناسا با آنها کار می کند.
آن ها اکنون یک راه ساده را در تولید نانوتسمه برای سکونت گاه های مریخ داشتند. بولاند توضیح داد: شما فقط میتوانید انیدریت ساخته شده توسط ناسا را با آب مخلوط کنید، انرژی صوتی را به آن اضافه کنید و سپس، انیدریت را به نانوتسمه ها تجزیه کنید.
این محلول نانوتسمه- آب را میتوان بیرون ریخت و اجازه داد تا آب تبخیر شود و نانوتسمه ها آماده استفاده شوند. علاوه بر این ، آب را در هر مرحله می توان بطور مداوم جمع آوری 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 اندازه گیری نانوتسمه های انیدریتی، گستره ای بزرگ تر از حد انتظار از نوارهای ممنوعه را پیدا کردند که تعیین می کند جریان چقدر می تواند از یک ماده عبور کند و پایه تجهیزات الکترونیکی مانند ترانزیستورها و مدارهاست.
با توجه به اینکه یک سانتریفیوژ در حال حاضر در« ایستگاه فضایی بین المللی» استفاده می شود، بولاند احساس کرد آنها واقعا روشی دارند که میتوان از آن در سکونت گاه های مریخی بدون حضور متخصص علوم نانو استفاده کرد. بولاند توضیح داد:هرکسی می تواند 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 دکمه ها انجام می شود.
تولید تجهیزات الکترونیکی در مقیاس کامل، به اتاق های تمیز و شرایط استریل نیاز دارد که احتمالا در سکونت گاه های مریخ در دسترس نخواهند بود ولی نانوتسمه های انیدریت امکان دارد الهام بخش ساخت تجهیزات الکترونیکی روی زمین باشند. در هر حال، آنها هنوز هم می توانند تأثیر عمیقی را برای تولید انرژی پاک در سکونت گاه های مریخ داشته باشند.
مریخ؛ جامعه پایدار
هدف بولاند این بود که سکونت گاه های 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 رقیق شده در آب نیاز دارد تا بعنوان الکترولیت عمل کند و تعدادی الکترود نیز برای عبور جریان از آن مورد نیاز هستند.
نانوتسمه های انیدریت به عنوان الکترودهای احتمالی مورد آزمایش قرار گرفتند و نتایج مثبت بود. بولاند گفت: آنها با بیشتر انواع دیگر نانوورقه ها و نانولوله هایی که قبلا برای واکنش های مشابه استفاده می شدند، هم تراز هستند.
مهم تر از همه این است که پژوهشگران، امکان سنجی این فرآیند در مریخ را به دقت ارزیابی کردند. بولاند گفت: ما به طور انتقادی ارزیابی کردیم که آیا می توانیم دقیقا همین آزمایش را روی مریخ (Mars) 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 می تواند آن را اجرا کند. این اثبات مفهوم، تخیل را تحریک می کند و نشان می دهد که روزی امکان دارد مواد سودمندی با استفاده از منابع بومی مریخ تولید شوند اما همچنین نشان می دهد که چگونه تفکر هوشمندانه و حل مسئله میتواند به ارائه دادن فناوری های پایدارتری مانند تجهیزات الکترونیکی مبتنی بر انیدریت روی سیاره ما کمک کند.
بولاند گفت: بعنوان یک گروه، ما واقعا در تلاش هستیم که دوست دار محیط زیست باشیم و به تأثیر واقعی پژوهش نگاه کنیم.
این پژوهش در مجله «Advanced Functional Materials» به چاپ رسید.
- 9
- 3
