Boğaziçili genç araştırmacı geleceğin enerji depolama cihazlarını geliştirecek

Photo: 
TÜBİTAK 2232 Uluslararası Lider Araştırmacılar Programı ile Türkiye’ye geri dönen bilim insanlarından biri olan Betül Uralcan, gelecekte pillerin yerini alacağı tahmin edilen “süperkapasitörler” üzerine çalışmalarına Boğaziçi Üniversitesi’nde başlıyor. Princeton Üniversitesi Kimya ve Biyoloji Mühendisliği çatısı altında bütünleşik doktora ve doktora sonrası çalışmalarını tamamlayan Uralcan, enerjinin daha hızlı bir şekilde daha küçük bir alanda depolanmasını sağlayacak olan çift katmanlı kapasitörler üzerine çalışıyor. Enerji kaynaklarının giderek kısıtlı hale geldiği ve enerji depolamanın önem kazandığı günümüzde, çift katmanlı kapasitörler hızlı, çevre dostu ve güvenli olmalarıyla öne çıkıyor.
 

TÜBİTAK’ın tersine beyin göçü programı ile 2019-2020 akademik yılı başında Türkiye’ye dönerek çalışmalarını Boğaziçi Üniversitesi’nde sürdürme kararı alan genç araştırmacı Betül Uralcan geleceğin enerji depolama cihazlarını geliştirecek.

Boğaziçi Üniversitesi Kimya Mühendisliği Bölümü 2013 yılı mezunu olan Betül Uralcan, mezuniyetinin ardından Princeton Üniversitesi Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Bölümü’nde bütünleşik doktora derecesini aldı ve 1 yıl boyunca yine aynı üniversitede doktora sonrası araştırmacı olarak çalıştı. Princeton Üniversitesi’nde bulunduğu süre boyunca enerji depolama, protein modelleme ve kiral moleküller üzerine araştırmalar yapan Uralcan, yeni nesil enerji depolama cihazları olan çift katmanlı kapasitörlerin geliştirilmesi çalışmalarına TÜBİTAK 2232 Uluslararası Lider Araştırmacılar Programı’ndan alacağı destekle Boğaziçi Üniversitesi Kimya Mühendisliği Bölümü bünyesinde devam edecek. Uralcan’dan çevre dostu, güvenli ve hızlı şarj/deşarj olmasıyla önem kazanan süper kapasitörler üzerine yürüttüğü çalışmaları hakkında bilgi aldık.

Princeton Üniversitesi’nde bulunduğunuz süre boyunca nasıl çalışmalar yaptınız?

Princeton Üniversitesi’nde çift katmanlı kapasitörler ya da popüler adıyla süper kapasitörler denilen yeni nesil enerji depolama cihazlarının modellenmesi, çalışma mekanizmalarının anlaşılması ve bu cihazlara yönelik malzemelerin optimize edilmesi üzerine çalıştım. Bunları çalışırken hem matematiksel simülasyon gibi teorik uygulamalar hem de deneysel uygulamalar kullandım. Ayrıca ilaç sektöründe de uygulamaları olan, örneğin ilaçlarda kullanılan proteinlerin dayanıklılıklarını artırmayı hedefleyen, protein modellemesi konusunda araştırmalar yaptım. Doktora sonrası araştırmacı olarak kaldığım 1 yılda ise kiral moleküller denilen optikçe aktif moleküllerin yapılarını ve faz özelliklerini anlamaya yönelik çalıştım. TÜBİTAK 2232 projesi kapsamında alacağım destekle ise doktoramın başlangıcında çalışmış olduğum enerji depolama konusuna geri dönüyorum, çünkü günümüzde enerji kaynaklarının azalması ciddi bir sorun ve yenilenebilir enerji kaynakları üzerine yapılan çalışmaların sürdürülebilir ve pratik olması enerjinin verimli ve ucuz bir şekilde depolanabilmesi ve taşınabilmesiyle yakından ilişkili. Bu noktada da enerji depolama cihazları önemli halde geliyor.

“Süper kapasitörler ile telefonları birkaç saniyede şarj etmek mümkün olacak”

Boğaziçi Üniversitesi’nde bulunacağınız süre boyunca üzerine çalışacağınız “süper kapasitörler”in pillerden farkı ne?

Burada yeni nesil bir enerji depolama cihazı olan çift katmanlı kapasitörler üzerine çalışacağız. Süper kapasitörler olarak da bilinen bu cihazların pillerden farkı enerjiyi statik elektrik olarak depolamaları, bu sayede çok daha hızlı enerji depolayıp boşaltabiliyorlar. Örneğin, bir süper kapasitör telefonu birkaç saniyede, elektrikli arabayı ise birkaç dakika içinde şarj edebilir. Bu cihazları basitçe şöyle tarif edebilirim: Kapasitörlerin içinde pillerde olduğu gibi iletken elektotlar ve bu elektrotların arasında iyonik bir çözelti olan elektrolit sıvısı bulunuyor. Nano gözeneklere sahip eletrotlar arasında bir potansiyel fark uygulandığında artı yüklü iyonlar eksi yüklü elektrota, eksi yüklü iyonlar ise artı yüklü elektrota doğru hareket etmek istiyor. Böylece elektrotlar arasında bir elektrik alanı oluşuyor ve enerjiyi statik elektrik olarak depolamış oluyoruz. Yani elektrotlar elektrik yüklerini emen nano gözenekli sünger işlevi görüyorlar. Pillerde ise enerji elektrolit ile elektrot arasında gerçekleşek kimyasal eaksiyon ile depolanıyor. Diğer bir ifadeyle enerji kimyasal şekilde depolanıyor, süper kapasitörlerde ise ası enerji depolama mekanizması elektriksel.

Süper kapasitörlerin çevreye zarar vermemesinin nedeni de içlerinde kimyasal bir reaksiyon gerçekleşmemesiyle mi ilgili?

Ağır metaller veya toksik kimyasallar, çift katmanlı kapasitörlerin üretim sürecinin bir parçası değil. Örneğin süperkapasitörlerde kullanılan elektrotlar karbon bazlı malzemeler; elektrolit malzemesi olarak da çevreye zararlı olmayan iyonik sıvılar kullanılıyor. Bu malzemelerin kaynaklarının sınırlı olmaması, gei dönüşümünün kolay olması gibi nedenlerle de süper kapasitörlerin daha çevreye olumsuz etkilerinin daha az olduğunu söyleyebiliriz. Aynı zamanda, kimyasal reaksiyonlara dayanan bir çalışma mekanizmaları olmamasının da etkisiyle, pillere göre daha geniş bir sıcaklık aralığında güvenli olarak kullanılabiliyorlar. Kısacası temiz, çevre dostu ve daha güvenli cihazlar. Bu avantajlarına rağmen pil sektörü ile rekabet edememelerinini nedeni ise süper kapasitörlerin enerji yoğunluğu açısından mevcut pillere göre daha düşük performans sergilemesi. Süper kapasitörler pillerle aynı miktarda enerjiyi depolamak için çok daha büyük bir hacime/ağırlığa ihtiyaç duyuyorlar. Mobilitenin çok önemli olduğu sistemlerde süper kapasitörleri piller gibi cebimizde taşıyamıyoruz, bu yüzden şu anda süper kapasitörlerin kullanım alanları sınırlı; ancak hem bizim Boğaziçi Üniversitesi’nde yürüteceğimiz araştırma hem de dünyada süper kapasitörler üzerine devam eden çalışmalar kapasitörlerin boyutlarını küçültme ve enerji yoğunluklarını artırma yönünde. Bu sayede şarj edilme hızı pillere oranla çok daha yüksek ve taşınılabilir cihazlar elde edilebilecek. Böylelikle, piller ile birlikte birbirlerini tamamlayıcı hibrit sistemlerde, yada hızlı şarj/deşarjın önemli olduğu sistemlerde tek başına kullanımları yaygınlaşabilecek.

Peki, süper kapasitörlerin enerji yoğunluğu nasıl artırılabilir?

Bunun için öncelikle süper kapasitörlerin matematiksel modellemesini ve simülasyonunu yapmak gerekiyor. Enerji yoğunluğunu belirleyen faktörlerden biri kapasitörün üretilmesinde kullanılan malzemeler ve biz de projenin ilk aşamasında matematiksel modelleme ve makine öğrenimi yöntemlerini kullanarak hangi malzemelerin enerji yoğunluğunu sağlamada daha avantajlı olacağını anlamaya çalışacağız. İkinci aşama ise kapasitörün mimarisini dizayn etmekle ilgili, çünkü kapasitörlerde kullanılan elektrotların nano yapısının elektrolit ile uyum içerisinde olması çok önemli. Bunu, en fazla elektrik yükünü depolayabilecek, nano gözenekli, iletken bir süngerin yapısını optimize etmek şeklinde düşünebiliriz. Tabi, enerji yoğunluğunu arttırmak için malzeme yapısı ve cihaz mimarisi üzerinde çalışırken, aynı zamanda kapasitörün hızlı bir şekilde enerji depolayıp boşaltma, uzun ömürlü olma gibi özelliklerini koruyan bir cihaz mimarisi geliştirmeyi amaçlıyoruz.

“Türkiye de giderek büyüyen süper kapasitör marketinde rekabet etmeli”

Süper kapasitörlerin günümüzde ne gibi kullanım alanları bulunuyor?

Bizim amacımız bu cihazları piller gibi günlük hayatta kullanılabilecek aletlere dönüştürmeye yönelik bir mimari geliştirmek, ancak mevcut halleriyle de süper kapasitörlerin dünyada kullanım alanları var. Örneğin, Çin’de toplu taşıma aracı olarak kullanılan bir elektrikli otobüs sisteminde süper kapasitörler kullanılıyor. Geçtiğimiz aylarda elektrikli araç şirketi Tesla, dünyadaki en önemli süper kapasitör firmasını satın aldı. Geely/Volvo, General Motors, Lamborghini elektrikli araçlarda süper kapasitörlerden faydalanmak için süper kapasitör üreticileri ile yakın zamanlada anlaşmalar yaptılar. Uzun ömürlü ve güvenli, çok hızlı enerji depolayıp boşaltabilen cihazla oldukları düşünüldüğünde bu gelişmeler anlamlı. Süper kapasitörler, bunun dışında rüzgar tribünlerinde, lüks araçların ses, klima ya da fren sistemlerinde süper kapasitörler kullanılabiliyor. Kısacası enerjinin çok hızlı bir şekilde dışarı verilmek istendiği durumlarda süper kapasitörler çok ideal, ancak günümüzde kullanım alanları sadece niş uygulamalarla sınırlı. Günlük hayatta henüz kullanamıyoruz ama süper kapasitör marketinin giderek büyüdüğü de bir gerçek ve bu yeni alanda Türkiye de rekabetin içinde yer alabilir. Piller gibi üzerinde çok çalışılmış ve gelişmiş bir teknoloji değil, bu nedenle Türkiye’de bu alanda çalışmaların yapılması çok önemli.

“Mezun olduğumdan beri hayalim Boğaziçi’ne geri dönmekti”

Proje ne kadar sürecek ve bu süreçte TÜBİTAK araştırmacılara nasıl bir destek sunuyor?

Benim projemin süresi 36 ay, ama farklı projelerde bu süre 24 ile 36 ay arasında değişebiliyor. Aslında TÜBİTAK 2232 programı ile gelen araştırmacılar olarak çok şanslı olduğumuzu düşünüyorum, çünkü hem hem TÜBİTAK hem de Boğaziçi Üniversitesi araştırma yapmamıza yönelik çok güzel olanaklar sağlıyor. Öncelikle, TÜBİTAK araştırmacılara ve projede onlarla birlikte çalışacak doktora öğrencilerine destek veriyor. Benim projem kapsamında 4 doktora öğrencisine ve 4 araştırmacıya burs verme imkanım var. Bu fonları projede yer almak isteyen ve Türkiye’de herhangi bir üniversitede kayıtlı olan öğencilere ve araştırmacılara kullanmak mümkün. Bunun yanında deneysel laboratuvar ve matematiksel modellemeleri yapacağımız bilgisayar sistemlerini kurmaya yönelik bir bütçe de veriliyor.

Son olarak neden Türkiye’ye geri dönmeyi tercih ettiniz?

Dönüp burada araştırma yapmak ve beni yetiştiren akademisyenler gibi yeni bilim insanlarının yetişmesine katkı sağlamak Princeton Üniversitesi’nde bulunduğum süre boyunca hep aklımda olan ve istediğim bir şeydi. Bunda öncelikle Boğaziçi Kimya Mühendisliği ailesinin bana öğrenim hayatımda da mezuniyet sonrasında da değerini ve desteğini hep hissettirmiş olmasının etkisi büyük. TÜBİTAK 2232 programı bu hayalimi gerçekleştirmeye yönelik olanaklara daha hızlı kavuşmamı sağladı, çünkü bir laboratuvar alt yapısı kurmak ya da proje için fon bulmak zaman isteyen şeyler. Bunun gibi projelerle yurt dışından daha çok bilim insanının Türkiye’ye döneceğini düşünüyorum, çünkü ben dönerken bile bu program hakkında soran ve ilgilenen çok sayıda akademisyen arkadaşım oldu.