برداشت انرژی خورشیدی با تقلید از بال پروانه ها

رنگ سیاه روی بدن بعضی از جانوران در بالاترین حد ممکن سیاهی است. لکه‌های سیاهی که روی بال‌های بعضی از گونه‌های پروانه دیده می‌شوند ۱۰ تا ۱۰۰ برابر از زغال، آسفالت تازه، مخمل سیاه و بسیاری از اشیاء سیاه رنگی که در روز می‌بینیم تیره تر هستند. ۰۶ر۰ درصد از نور که میزان بسیار ناچیزی است اگر به این پروانه‌ها برخورد کند به چشم‌های ما منعکس می‌شود. این ویژگی انسان‌ها را بر آن داشته است تا از این سیاه ترین پوشش طبیعت برای ساخت صفحات خورشیدی که ظرفیت بیشتری در جذب نور خورشید دارند بهره بگیرند.
رنگ پروانه‌ها را که به طور عمده به رنگ ساختاری بدن آنها نسبت می‌دهند ناشی از انکسار نور طبیعی است. اما رنگ سیاه نشان دهنده این است که نور خورشید در پولک‌های بال پروانه به خوبی به دام می‌افتد. در برخی نقاط که آب و هوای سرد حاکم است، پروانه‌ها به سرعت یخ زدایی می‌شوند زیرا نور به سرعت در پولک‌های سیاه آنها تبدیل به گرما می‌شود. دانشمندان «دانشگاه اولو» در فنلاند فرایند جذب نور طبیعی در بال‌های پروانه را مورد مطالعه قرار داده اند. آنها که در واحدی به نام NANOMO در حوزه بیومیمتیک (زیست تقلید) فعالیت می‌کنند در به کارگیری مفاهیم بنیادی فیزیک در زمینه فوتونیک کاربردی، برداشت و ذخیره انرژی خورشیدی پیشگام هستند.
آنها به دقت نانوساختارهای پولک‌های سیاه را در پروانه‌های مختلف بررسی کردند و توانایی ساختار پولک‌ها در جذب نور را در صورت قرار گرفتن روی صفحات خورشیدی سیلیکونی برآورد کردند.
پولک‌های پروانه فقط چند میکرون عمق دارند. یعنی به قدری ظریف هستند که فقط کسری از سیاه ترین پوشش‌های مصنوعی ضخامت دارند. راز این سیاهی محض در موجوداتی که به معنای واقعی کلمه سبک بال هستند وجود مقدار بیش از اندازه ملانین نیست. ملانین همان رنگدانه ای است که باعث سیاهی پرهای کلاغ و مرغ‌های بهشتی، موهای گربه‌ها و بدن عنکبوت‌های طاووسی می‌شود.
علت سیاه بودن پولک‌های بال‌های پروانه‌ها چیزی نیست جز توهم نوری که ساختار سه بعدی پولک‌ها ایجاد می‌کند. نور به درون آنها نفوذ می‌کند، اما مقدار بسیار کمی‌از آن به بیرون می‌تراود. پولک‌های پروانه‌ها حتی اگر در ظاهر رنگ تیره یکسانی با یکدیگر داشته باشند، با توجه به گونه آنها دارای نانوساختارهای متفاوتی هستند. برای مثال، پولک گونه ای از پروانه‌ها به نام «بال پرنده سبز» از لحاظ ریخت شناختی متشکل از فرورفتگی‌های Vشکل بین دو برآمدگی است که با لایه‌های نازکی به هم متصل شده اند. این ترکیب ساختاری بسیار متفاوت از ساختار پولک‌های سه گونه دیگریعنی پروانه آبی ببری، پروانه زاغی و پروانه اسپانگل است. ساختار پولک‌ها در این سه گونه متشکل از برآمدگی‌های مدور است که آرایه‌هایی از یک، دو و سه منفذ بین آنها فاصله ایجاد کرده است. به علاوه، انعکاس نور در پولک‌های سیاه یکسان نیست. استفاده از این ساختارها به عنوان پوششی آنتی رفلکس (ضد انعکاس) به ذخیره نور خورشید در صفحات فتوولتائیک سیلیکونی کمک خواهد کرد. شبیه سازی‌های رایانه ای نشان می‌دهند که پس از قرار دادن این نانوساختارها بر صفحات خورشیدی، پراکنده شدن نور سطحی به میزان زیادی کاهش پیدا کرد. ساختار پولک گونه بال پرنده سبز بهترین حالت آنتی رفلکس را ایجاد کرد. با تقلید از نانوساختارهای بال پروانه‌ها پژوهشگران موفق شدند انعکاس نور در صفحات خورشیدی سیلیکونی را از ۳۵ درصد به ۵ درصد کاهش دهند. در نتیجه، جریانی که از اتصال کوتاه تولید می‌شود، یعنی بیشترین جریانی که از سلول‌های فتوولتائیک به دست می‌آید، تا ۶۶ درصد افزایش یافت. پژوهشگران فنلاندی پیشنهاد کرده اند این استراتژی را به صورت آزمایشی پیاده کنند.
بال‌های پروانه‌ها در ظاهر صاف دیده می‌شوند. اما وقتی نمای نزدیک آنها را با میکروسکوپ مشاهده می‌کنیم با منظره شگفت انگیزی رو به رو می‌شویم. با یک بزرگنمایی هزار برابر خواهیم دید بال‌های این حشره‌های زیبا پوشیده از پولک‌هایی است که در شبکه ای از برآمدگی‌ها و حفره‌ها قرار گرفته اند. این ناهمواری‌های دره مانند نور را به درون بافت اسفنجی پولک‌ها جاری می‌کنند.
در آنجا، شعاع‌های ستون مانند بافت درونی پولک نور را پخش می‌کنند تا زمانی که کاملاً جذب شود. تا چندی پیش دلیل جذب نور بسیار زیاد بال‌های پروانه‌های سیاه را شکل لانه زنبوری حفره‌های پولک‌های سطح بال می‌دانستند، اما طبق مطالعه جدید، عامل دیگری در این امر دخیل است.پژوهشگران «دانشگاه دوک» در ایالات متحده با استفاده از یک میکروسکوپ الکترونی با وضوح اسکن بالا و نیز انجام شبیه سازی‌های رایانه ای، ساختارهای میکروسکوپی بال‌های ۱۰ گونه پروانه فوق‌العاده سیاه رنگ و چهار پروانه قهوه ای تیره یا مشکی معمولی را که متعلق به آمریکای مرکزی و جنوبی و آسیا بودند مورد مطالعه قرار دادند. آنها با مشاهده دقیق پروانه‌هایی از چهار زیرخانواده مختلف دریافتند که پروانه‌های فوق العاده سیاه هم به اندازه پروانه‌های دیگر نور جذب می‌کنند و این کار را با کمک حفره‌هایی در شکل‌ها و اندازه‌های مختلف انجام می‌دهند که لزوماً لانه زنبوری نیستند، بلکه می‌توانند مستطیل یا Vشکل هم باشند.سرانجام معلوم شد که پولک‌های فوق العاده سیاه و پولک‌های سیاه معمولی هر دو از برآمدگی‌هایی در سطح و ستون‌هایی در داخل تشکیل شده اند. اما تفاوت کلیدی پولک‌های این دو گروه پروانه در این است که در گونه‌های فوق العاده سیاه، برآمدگی‌ها و ستون‌ها در عمق بیشتری هستند و ضخامت بیشتری هم دارند. در شبیه سازی‌های رایانه ای دیده شد که پولک‌های فاقد برآمدگی یا ستون‌های داخلی تا ۱۶ برابر بیشتر نور را منعکس می‌کردند.
درباره تأثیری که مطالعه روی ساختار بال‌های پروانه‌ها در ساخت سلول‌های خورشیدی داشته اند در نقاط دیگر دنیا هم پژوهش‌هایی انجام گرفته اند. برای مثال، مهندسین دانشکده مهندسی «دانشگاه ملی استرالیا»(ANU) نیز با الهام گرفتن از پروانه دیگری به نام «آبی غول پیکر» ساختارهای ریزی ابداع کرده اند که درها را برای فناوری‌های جدید ساخت سلول‌های خورشیدی باز می‌کنند. بال‌های این پروانه دارای نانوساختارهای مخروطی شکل هستند که با انتشار نور رنگین تابی (iridescence) آبی ایجاد می‌کنند. این ابداع راه را برای نوآوری‌های دیگر مثل کاربردهای معماری و سبک نهان کاری هموار می‌کند.
مهندسین با تقلید از همان ساختارهای در مقیاس نانو و با بهره گیری از همان اصولی که در پدیده بال‌های پروانه‌ها رخ می‌دهد توانستند به ظرافت تمام جهت و مسیر نور را کنترل کنند.
این که نانوساختارهای مخروطی به خوبی رنگ‌های مختلف نور را هدایت کردند آنها را متعجب کرده است. تصور آنها این است که کاربردهای بیشماری را می‌توان با تکنیک کنترل نور عرضه کرد. یکی از آنها کنترل انتشار نور و بازتاب و جذب رنگ‌ها مختلف آن است که در حال حاضر در نسل جدید صفحات خورشیدی پربازده مورد استفاده قرار می‌گیرد. این تکنیک روزی به حدی پیشرفت می‌کند که می‌توان با کمک آن اشیاء مات و غیر شفاف را شفاف کرد و برعکس٫ با این رویکرد می‌توان پنجره‌هایی را طراحی کرد که نسبت به رنگ‌های معینی شفاف باشند و در مقابل رنگ‌های دیگری خاصیت شیشه‌های مات را به خود بگیرند.
مزیت دیگر نانوساختارهای مخروطی این است که خودشان رشد می‌کنند و روی هم سوار می‌شوند و نیازی به کنترل دقیق توسط لیزرهای ظریف و الکترون‌ها ندارند. به علاوه، فناوری پرهزینه ای مورد نیاز نیست، بنابراین می‌توان در مقیاس وسیع آنها را تولید کرد.
گونه دیگری از پروانه که به آن «پروانه رُز» می‌گویند و بیشتر در هند زندگی می‌کند مدل الهام بخش دیگری برای ارتقای سلول‌های خورشیدی نازک است. بال‌های این پروانه در هوای سرد خودشان را گرم می‌کنند. این ویژگی منحصر به فرد به دلیل وجود حفره‌های کوچک در بال‌ها است که سبب می‌شود سبک تر باشند و نور خورشید را سریع تر جذب کنند. این ویژگی مهندسین «مؤسسه فناوری کالیفرنیا» را بر آن داشت تا با طراحی مدل‌های رایانه ای صفحات خورشیدی با عملکردی مشابه عملکرد بال‌های پروانه رُز بسازند.
بدین ترتیب آنها صفحات خورشیدی نازکی ساختند که دو برابر بیشتر از دیگر سلول‌های خورشیدی نازک نور را به خود جذب می‌کرد. مهندسین این پروژه شاهد افزایش ۹۰ درصدی جذب نور با زاویه معمولی و ۲۰۰ درصدی با زاویه‌های پرتابش بودند. این یک گام بسیار بزرگ در فناوری‌های خورشیدی است، چرا که مشکل بازده پایین را که یکی از بزرگ ترین اشکالات صفحه‌های خورشیدی است از میان بر می‌دارد.

پروانه ها هم می شنوند

پروانه ها هم می شنوند

پروانه‌ها با کمک بالهایشان به صداها گوش می‌دهند

گونه های ویژه ای از پروانه ها در بالهای خود گوشهای بسیار کوچکی دارند که می توانند با کمک آنها گام بالا و پایین صداها را از یکدیگر تشخیص داده و به این شکل از نزدیک شدن پرندگان آگاه شوند.

دانشمندان تا سال 1912 بر این باور بودند که پروانه ها ناشنوای مطلق هستند تا زمانی که برای اولین بار گوش در پروانه ها شناسایی شد. محققان طی دهه های گذشته با بررسی بر روی شکل و ساختار گوش پروانه ها دریافتند این ویژگی تنها در برخی گونه های خاص از پروانه ها یافت می شود.

آخرین تحقیقات انجام شده بر روی گوشهای موجود بر روی بالهای پروانه ای از مناطق حاره ای به نام مورفو بوده است. در مطالعات جدید محققان بر روی لایه شنوایی که در لایه زیرین بالهای آبی رنگ این پروانه زیبا قرار گرفته است مشخص شد این لایه بادامی شکل بوده و در مرکز خود برجستگی مشابه زرده تخم مرغ دارد، از همین رو به این غشا لایه "نیم رو" گفته می شود.

امواج صوتی ناشی از آواز پرندگان و یا خرد شدن برگهای پاییزی به این لایه ضربه وارد کرده و به صداهایی تبدیل می شوند و پروانه می تواند آنها را دریافت کند.

در کل لایه شنوایی در پروانه ها بیشتر به اصوات و صداهایی که فرکانس پایین تری دارند حساس است و نسبت به آنها عکس العمل نشان می دهد.

به گفته دانشمندان پروانه های آبی رنگ مورفو از این توانایی برای تشخیص پرنده های شکارچی استفاده می کنند به این شکل که فرکانسهای بالای صوتی را برابر با حمله پرنده و فرکانسهای پایین تر را برابر بال زدن پرنده می پندارند.

در عین حال فرکانسهای بسیار بالا مانند فرکانسهای آواز پرندگان به پروانه هشدار می دهد که در پناهگاه خود باقی بماند و یا از ترفند استتار(مخفی کردن) مخصوص به خود استفاده کند.

پروانه ها و نقش آن ها در طبیعت

پروانه ها نقش مهمی در زندگی ما دارند. همه میدانند پروانه ها چقدر زیبا هستند. اما بسیاری از مردم نمی دانند که پروانه ها علاوه بر اینکه دنیای ما را زیباتر می کنند، کارهای دیگری هم انجام می دهند. یکی اینکه پروانه ها می توانند گرده ها را از گیاهی به گیاه دیگر، منتقل کنند. این کار به گلها کمک می کند میوه تولید کنند و گیاهان دانه دار به گیاهان جدیدی تبدیل شوند. همچنین پروانه ها و کرمها (لارو یا اولین مرحله ی آنچه که یک پروانه خواهد شد) کف زنجیره ی غذایی هستند. این یعنی آنها غذای بسیاری از گونه های جانداران دیگر هستند. کلمه ی «پروانه» شاید برای اولین بار برای تعریف یک پروانه ی اروپایی معمولی به رنگ زرد گوگردی استفاده شده باشد. در ابتدا مردم آن را «حشره ی کره ای رنگ» می نامیدند. سپس این اسم را کوتاه کردند و «پروانه» نامیدند. 

دانشمندان پروانه ها و بیدها را در طبقه بندی یا دسته بندی شناخته شده ای به عنوان «پولک بالان» که به معنای «بالهای پولک

دار» است، گروہ بندی می کنند. این نام برای پروانه ها و بیدها کاملا مناسب است زیرا بالهای آنها با پولکهای بسیار ریزی پوشانده شده اند. این ها تنها حشراتی هستند که پولک دارند. پروانه ها می توانند در تمام قسمتهای دنیا به جز قطب جنوب، پیدا شوند. آنها بیشتر در مناطق گرمسیری زندگی می کنند. به این دلیل که در مناطق گرمسیری همیشه گیاهان فراوانی برای خوردن کرم هاهست و برای پروانه ها، شکوفه های بسیاری برای تولید شهد وجود دارد. پروانه های گرمسیری همچنین عمر طولانی تری دارند. بعضی از آنها تا یک سال عمر می کنند. پروانه هایی که در مناطق با دمای بالاتری زندگی می کنند، طول عمر متوسط چند هفته ای یا چند ماهه دارند. بعضی از آنها فقط چند روز زندگی می کنند. 

پروانه ها همیشه آدمها را مجذوب خود می کنند. در دهه ی ۱۸۰۰ میلادی جمع آوری کلکسیون پروانه، یک سرگرمی محبوب همگانی بود. مردم هر گونه ای که می توانستند پیدا کنند را شکار کرده، جمع آوری کرده و مطالعه می کردند. امروزه بسیاری از مردم، پروانه ها را با دوربین، «شکار» می کنند. آنها میتوانند به جای اینکه پروانه ها را بگیرند، آنها را روی فیلم عکاسی «نگه دارند».

بعضی از افراد، باغچه های خاصی با گل ها و چمن هایی که پروانه ها را جذب می کنند، می کارند. این روش خیلی خوبی برای لذت بردن

از تماشای پروانه ها در حیاط خود است!

شیوه زندگی پروانه ها

پروانه ها (butterflies)، از جمله زیبا ترین موجوداتی هستند که هزاران گونه از آن ها در سراسر جهان زندگی می کنند.

تنوع طرح و پیچیدگی، ظرافت وهمینطور ترکیبات رنگی مختلف روی بال پروانه ها، باعث شده تا یکی از زیباترین حشرات شناخته بشوند.

رده بندی پروانه ها

پروانه ها از راسته ی پولک بالان (Lepidoptera) و رده حشرات (Insecta) هستند.

پروانه ها (Rhopalocera) شباهت هایی به بید ها (Heterocera) دارند:

برای تشخیص این دو گروه از یکدیگر باید توجه کرد که پروانه ها در هنگام استراحت بالها را به صورت عمودی در پشت بدن نگاه می دارند در صورتی که بیدها (Heterocera) بالها را به صورت شیروانی در دو طرف بدن قرار می دهند، علاوه بر این بالهای پروانه ها درهنگام پرواز، مستقل می باشد در صورتی که در بیدها بالهای عقب توسط رابطی به بالهای جلویی متصل است، این رابط در واقع قسمتی از بال عقبی است که مانند موهای باریکی بر آمده شده و در داخل حلقه کوچکی در بال جلو فرو می رود، این تفاوت در بالهای پروانه ها و بیدها نحوه پرواز آنها را کاملا متفاوت می سازد، یعنی در پروانه ها که بالها آزادانه حرکت می کند، پرواز نامنظم و زیگزاگ بوده، در حالیکه در بیدها که بالها (توسط رابط) به هم متصل است، پرواز سریع و مستقیم صورت می پذیرد. تفاوت عمده دیگر این است که در پروانه ها شاخکها در انتها گرزی شکل هستند ولی در بیدها گرزی نبوده و شکلهای مختلفی به خود می گیرد، مثلا به صورت “پر” یا ” دندانه ای” می باشند.

در نهایت لازم به آگاهی است که هر جاندار منجمله پروانگان دارای اسمی دو قسمتی مشخص و بین المللی هستند که اولی مشخص کننده جنس و دومی مشخص کننده گونه می باشد.

بطور مثال: Papilio machaon

پاپیلیو  (اسم جنس)  ماکائون  (اسم گونه)

خانواده اصطلاح علمی دیگری است که به تعدادی از جنس ها با خصوصیات مشترک اطلاق می شود.

خانواده پروانه ها:

Papilionidae
Hesperiidae
Pieridae
Lycaenidae
Nymphalidae
و دو خانواده زیر که در ایران موجود نیست:
Hedylidae
Riodinidae

اندام شناسی پروانه ها
بدن پروانه ها شامل سر (Head)، قفسه سینه (Thorax)، با ۳ جفت پا (Leg) و ۲ جفت بال (Wing) متصل به آن و شکم(Abdomen)  تشکیل شده است.

۱- شاخک ۲- چشم مرکب ۳- سر ۴- خرطوم ۵- قفسه سینه ۶- پا ۷- مچ پا ۸- ران ۹- شکم ۱۰- بالهای پهلویی ۱۱- بالهای جلویی ۱۲- حاشیه خارجی بالها ۱۳- حاشیه ضلعی بالها ۱۴- رشته های عصبی ۱۵- سلولها

چرخه ی زندگی پروانه ها

پروانه جزء حشرات دارای دگردیسی کامل هستند. به این معنا که چرخه زندگی آن ها شامل ۴ مرحله ی اصلی تخم، لارو، شفیره و حشره ی بالغ است. یک چرخه ی کامل را یک نسل می گویند.

در مرحله اول پروانه بالغ تخم می گذارد، در مرحله دوم که تبدیل به لارو یا کرم می شود، در این مرحله لارو (کرمینه) مقدار زیادی برگ می خورد تا خود را برای مرحله بعد آماده کند.

مرحله سوم شفیره است که کرم تاری به نام پیله به دور خود می بافد و مدتی در آن بدون هیچ غذایی زندگی می کند و در مرحله چهارم که پروانه است و حشره بالغ که دارای بال است از پیله بیرون می آید.

منبع: www.hesamostovar.com