سلول‌های خورشیدی زیر آب با تکنولوژی جدید پوشش نیروی دریایی ایالات متحده ۱۰۰٪ قدرتمند می‌مانند

محققان حمایت شده توسط نیروی دریایی ایالات متحده پوششی جدید برای سلول‌های خورشیدی زیر آب ایجاد کرده‌اند که از رشد زیستی مانند جلبک‌ها و صدف‌ها جلوگیری می‌کند بدون اینکه انتقال نور قابل رویت را مختل کند.

پژمردگی زیستی فرآیندی است که به سلول‌های خورشیدی زیر آب که محافظت نشده‌اند اجازه می‌دهد که توسط رشدهای زیستی مانند جلبک‌ها و صدف‌ها پوشیده شوند. این امر باعث کاهش کارآیی الکتریکی یا عملیاتی آنها می‌شود و حذف آن هزینه‌بر است.

یک تیم از دانشگاه فنی دانمارک رویکرد جدیدی ایجاد کرده است که ترکیبی از بیوسید آلی، بایندر سریع‌صیقل‌دهنده، و مقادیر بسیار کم از پیگمنت‌های نانو اندازه، قابل حل در آب دریا است.

محققان دریافتند که وقتی این پوشش‌ها با آب دریا تماس می‌گیرند، ذرات پیگمنت متلاشی شده و لایه‌ای متخلخل ایجاد می‌کنند که به آب دریا اجازه می‌دهد به درون پوشش نفوذ کند.

پدافند پژمردگی زیستی

واحدهای زیر آب بی‌سرنشین (UUVs) و واحدهای زیر آب مستقل انرژی خورشیدی (AUVs) برای افزایش زمان مأموریت با تبدیل نور خورشید به الکتریسیته هنگام قرار گرفتن در سطح آب، به سلول‌های خورشیدی متکی هستند.

اما پژمردگی زیستی، که شامل چسبیدن و رشد موجودات است، به مرور زمان کارآیی نوری این سلول‌های خورشیدی را کاهش می‌دهد و بر قابلیت مانور و هیدرودینامیک وسیله تأثیر می‌گذارد.

پوشش‌های ضد پژمردگی فعلی، از جمله پوشش‌های ضد چسبندگی سیلیکونی بر پایه FRC و اکسیل مس (Cu2O) بیوسیده، یا نیاز به تمیز کردن مکانیکی دارند یا نور قابل رویت را مسدود می‌کنند، که کارآیی آن‌ها را برای UUVs و AUVs محدود می‌کند.

محققان هدف گذاشتند که پوششی ضد پژمردگی خودصاف‌کننده‌ای توسعه دهند که انتقال نور مرئی را حفظ کند در حالی که از پژمردگی زیستی جلوگیری کند. با بررسی ذرات پیگمنت نانو و میکرون اندازه، این پوشش می‌تواند نرخ آزادسازی بیوسید بالا و حداقل پراکندگی نور را به دست آورد.

به گفته تیم، هدف ایجاد پوششی است که بیش از ۸۰ درصد انتقال نور و ۹۰ درصد تولید انرژی خورشیدی را برای حداقل سه ماه بدون دخالت مکانیکی تضمین کند.

نوآوری پوشش شفاف

این رویکرد نوآورانه از غلظت‌های بسیار پایین پیگمنت‌های نانو اندازه قابل حل در آب دریا مانند اکسید مس (Cu2O) و اکسید روی (ZnO)، به همراه بیوسید آلی و بایندر سریع‌صیقل دهنده استفاده می‌کند.

هنگامی که در معرض آب دریا قرار می‌گیرند، این پیگمنت‌ها حل شده و لایه‌ای متخلخل ایجاد می‌کنند که اجازه انتشار آب دریا به درون پوشش را می‌دهد. این لایه محلول آزادسازی ترکیبات بیوسید را در آب دریا تسهیل می‌کند. ماتریس بایندر با یون‌های آب دریا واکنش داده و ترکیبات محلول تشکیل می‌دهد که نرخ صیقل‌دهی را تنظیم می‌کند.

به گفته محققان، به موازات پیشرفت هیدرولیز، پوشش ساییده شده و لایه‌های تازه‌ای از پلیمر اکریلات و پیگمنت‌ها را معرض قرار می‌دهد که نتیجه آن اثر صیقل‌دهی خودکار مداوم است.

تیم تحقیقاتی با استفاده از سیستم‌های بایندر مختلف، شامل اکریلات سیلی (SA) به تنهایی یا با رزین (SA-R) به نسبت ۷۰:۳۰ آزمایش کردند. آنها مخلوط ذرات شامل اکسید مس نانویی (NC)، اکسید روی نانویی (NZ)، اکسید مس میکرونی (MC)، و بیوسید SeaNine 211 (SN) را آزمایش کردند.

پوشش پانل‌های پلی‌کربنات شفاف و صاف، این زیرلایه‌ها در بندر هوندستد، دانمارک، به مدت دو و نیم ماه غوطه‌ور شدند و بازرسی‌ها و عکس‌برداری‌ها در هفته‌های دوم، ششم، و دهم انجام شد.

اثرات ترکیبی NC، NZ، و SN در پوشش SA-R مقاومت در برابر پژمردگی زیستی قابل توجهی را در یک دوره ۱۲ هفته‌ای فراهم کرد، که به دلیل انحلال هم‌افزایی و صیقل سریع بایندر بود.

پوشش برتر دارای NC PVC 0.04 درصد، NZ PVC 0.08 درصد، و SN 3 درصد بود. پس از ۱۲ هفته، پوشش با نرخ 1.4 μm/day صیقل داده شد. آزمایش‌های بیشتر در فلوریدا مقاومت عالی در برابر پژمردگی زیستی را نشان داد، و کارآیی انرژیتیک تقریباً ۱۰۰ درصدی سلول‌های خورشیدی را در طول ۱۳ هفته حفظ کرد.

به گفته محققان، دوربین‌ها و حسگرهای زیر آب در UUVs به پوشش‌های شفاف نوری نیاز دارند، اما پوشش‌های فعلی به مرور زمان مات می‌شوند و کارآیی آنها را محدود می‌کنند. توسعه پوشش‌هایی که شفافیت را حفظ کرده و در طول مواجهه طولانی مدت با آب دریا در برابر پژمردگی مقاوم باشند یک چالش کلیدی است.

علاوه بر این، این پوشش‌ها فقط در آب دریا کار می‌کنند، زیرا یونی برای هیدرولیز بایندر و حل پیگمنت‌ها لازم است.

جزئیات این تحقیق در ژورنال Progress in Organic Coatings منتشر شده است.