انرژی بسیار زیادی که در امواج اقیانوس وجود دارد را می‌توان استخراج کرد به ویژه اگر روش‌های استخراج آن بهبود داده شوند. اکنون پژوهش‌گران نوع جدیدی از ساختار را معرفی کرده‌اند که انرژی امواج گذرنده را به داخل ناحیه‌ی کوچک‌تر متمرکز می‌کند؛ درنتیجه بهره‌برداری از انرژی آسان‌تر می‌شود. اگر این تکنیک توسعه‌ یابد کاربردهایی را در پروژه‌های انرژی امواج دریایی خواهد یافت.

مهندسان از چندین روشِ متمرکز ساختن انرژی امواج آب آگاهند. آرایه‌ای از استوانه‌ها در زیر دریا قادرند (بسیار شبیه به یک عدسی برای امواج نوری) امواج آب را متمرکز کنند [1]. انرژی موج نیز می‌تواند بسادگی با جهت‌گیریِ مستقیم امواج به سمت یک کانالی که تدریجا باریک‌ می‌شود بین دو دیواره متمرکز شود. اما این روش‌ها عمده‌ی انرژی موج را با تولید امواجی، به سمت عقب بازمی‌گردانند (در خلاف جهت امواج ورودی). در مقابل پژوهش‌گرانی که توسط هوان‌یانگ از دانشگاه شامان و ژین‌یو وانگ از دانشگاه ژجیانگ در چین رهبری می‌شوند، از ایده‌های مهندسی اپتیک استفاده کرده و ساختاری را جهت متمرکزکردن امواج با بازتاب کوچک، پیشنهاد داده‌اند.

دو سال پیش، چن و دیگر پژوهش‌گران نشان دادند که میکروامواج چگونه می‌توانند به درون ناحیه‌ی کوچکی متمرکز شوند؛ آن‌ها این‌ کار را با استفاده از قطعه‌ای استوانه‌ای شکل که شامل مجموعه‌ای از ورقه‌های فلزی نازک است انجام دادند که همگی به شکل شعاعی از محور استوانه دور می‌شوند [2]. برای میکروامواجِ ورودی که به محور استوانه عمودند، کانال‌های مابین ورقه‌ها همچون موج‌برهایی عمل می‌کنند که امواج را به داخل هدایت می‌کنند و دامنه‌ی موج مرکزی را افزایش می‌دهند. با الهام گرفتن از معادلات ساده‌ی آب و نور، چن و همکارانش از اینکه یک ساختار مشابه قادر است هم برای آب و هم امواج نوری بکار بیاید شگفت زده شده‌اند.

آن‌ها ساختار ثابتی را در نظر گرفته‌اند که تقریباً به شکل کامل در آب غوطه‌ور شده است. چن و همکارانش از طریق محاسبات دریافتند که اگر عمق مابین لبه‌ی بیرونی و ناحیه‌ی مرکزی به طریق دقیقی کاهش یابد، بازتاب امواج بشکل عملی برای فرکانس‌های ویژه‌ای حذف می‌شود. برای امواجی با این فرکانس‌های ویژه، تعداد صحیحی از نصف طول‌موج‌ها کاملا در درون کانال و در جهت شعاعی قرار می‌گیرند. این ترکیب‌بندی به اثر تداخل موجی منتهی شده و موجب می‌شود بازتاب‌ها سرکوب شوند.

امواجی که با این ساختار برخورد می‌کنند وقتی به مرکز آن می‌رسند ارتفاعشان به سه برابر می‌رسد درحالی‌که هیچ موج بازتابیِ شدیدی تولید نمی‌شود. می‌توانید ویدیو‌ها را اینجا مشاهده کنید.

این تیم برای آزمایش طرح‌شان ابتدا یک ساختار کوچک را با یک پرینتر سه‌بعدی ساخته‌اند که شعاع ناحیه‌ی مرکزی آن ۳۵ میلی‌متر و دیواره‌ها تا ۷۰ میلی‌متر گسترده شده‌اند. عمق آب در بیرون ساختار ۸ میلی‌متر و به ۶ میلی‌متر در درون آن کاهش می‌یابد. محققان امواجی با فرکانس بهینه (۴/۹۵ یا ۷/۰۵ هرتز) را به سمت ساختار فرستاده و دریافتند که همانطور که انتظار می‌رفت امواج متمرکز شده و دامنه‌ی آن‌ها وقتی به مرکز می‌رسند دوبرابر می شوند. الگوی موج خارج از ساختار بدون تغییر باقی می‌ماند که نشان‌گر عدم وجود امواج بازتابی است.

این تیم ساختار بزرگ‌تری را نیز آزموده‌اند که شعاع خارجی آن ۴۳ سانتی‌متر و با عمق آب که از ۱۰ سانتی‌متر تا ۳ سانتی‌متر در ناحیه‌ی مرکزی کاهش می‌یابد. برای این ساختار، این تمرکز‌سازی حتی موثرتر نیز هست؛ سه برابر دامنه در فرکانس‌های ویژه. با آزمایش این اثر بر روی گستره‌ای از فرکانس‌ها، آزمایش‌ها نشان می‌دهند که پاسخ با آنچه پژوهش‌گران انتظار داشته‌اند مطابقت دارد.

مارتین ام‌سی‌کال، نظریه‌پردازی که اپتیک را در کالج سلطنتی لندن مطالعه می‌کند، می‌گوید: «آن‌ها نامرئی شدن ]عدم وجود بازتاب‌ها[ و افزایش دامنه‌ی پیش‌بینی‌شده را در مقیاسی به اثبات رسانده‌اند که علاقه‌ی فراوانی برای بهره‌برداری از حوزه‌ی وسیعی از امواج آب وجود دارد و این کار به شکل بالقوه‌ای پیشرفته یوده و ممکن است در سطوح دیگری (مثل آکوستیک) نیز کاربرد داشته باشد.»

چن می‌گوید او و همکارانش امیدوارند این کار را در مقیاس‌های بزرگتری تا اندازه‌ی لازم برای امواج اقیانوس انجام دهند. به گفته‌ی وی: «این کار گامی بزرگ به سوی یک کاربرد واقعی در ساحل دریاست و امیدواریم گام بزرگتری را در دانشگاه شامن در آینده‌ی نزدیک داشته باشیم».

این پژوهش در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز به چاپ رسیده است.

درباره‌ی نویسنده:

مارک بوچانان نویسنده‌ای علمی در والوِ انگلستان و نرماندیِ فرانسه است.

مراجع:

• X. Hu and C. T. Chan, “Refraction of water waves by periodic cylinder arrays,” Phys. Rev. Lett. 95, 154501 (2005).

• M. M. Sadeghi, S. Li, L. Xu, B. Hou, and H. Chen, “Transformation optics with Fabry-Pérot resonances,” Sci. Rep. 5, 8680 (2015).

منبع:

More Energy from Ocean Waves