إن التوسع السريع للطاقة المتجددة المحمولة من الألواح الشمسية القابلة للطي التي تغذي أجهزة الاستنشاق بالرياح في البلدان الخلفية والتي تعمل على توفير الملاجئ اللازمة للإغاثة في حالات الكوارث، والتي تُدفع بثورة هادئة في علوم المواد، ومع تزايد حجم الأجهزة والطلب على الطاقة، فإن الوزن المادي ودوام المكونات تصبح معوقات حرجة، كما أن الانجازات الأخيرة في مواد الوزن الخفيف تمكن المهندسين من تصميم نظم طاقة محمولة لا تكون أكثر كفاءة وبسة.

دال - التقدم في مجال تكنولوجيا المواد

ويجب أن تصمد أجهزة الطاقة الحديثة المحمولة مع الشمس والريح والأمطار والرمل والمناولة المتكررة بينما تبقى خفيفة بما يكفي للحمل، وتفسح المواد التقليدية مثل المعادن الثقيلة واللدائن الصلبة الطريق أمام جيل جديد من الوزن الخفيف الذي يفش في ثلاثة مجالات: قوة محددة عالية، واستقرار حراري، والقدرة على التكيف البيئي، وتشهد أكثر التطورات تحولا في المركبات والمواد النانوية، والبوليمرات المتقدمة.

المواد المركبة: العمود الفقري للتنقل

(أ) أصبحت البوليمرات المعززة من الألياف الكربونية (CFRPs) هي الجهة التي تستخدم في قياس العناصر الهيكلية للوزن الخفيف في الألواح الشمسية المحمولة والرياح الصغيرة، حيث تُدرج نسبة القوة إلى الوزن حوالي خمس مرات في تركيب الفولاذ، وتسمح هذه المادة بإشعال الإطارات ونظم التكتل بشكل جذري دون المساس بالتصلب.

فبجانب ألياف الكربون، توفر البلاستيك المعزز من الألياف الزجاجية بديلاً أقل تكلفة بمقاومة التآكل الممتازة، مما يجعلها مثالية للبيئات البحرية والرطوبة التي يتم فيها نشر التوربينات المائية المحمولة أو صفائف الطاقة الشمسية العائمة، وفي الوقت نفسه، يختبر الباحثون مواضع الألياف الهجينية التي تجمع بين الكربون والهرم (Kevlar) لاستيعاب الطاقة الأساسية التي ستسقط أو تسقط.

Nanomaterials: Enhancing Energy Efficiency at the Micro Scale

ويدفع علم النانوات حدود ما يمكن أن تفعله المواد الخفيفة الوزن من أجل الاستيلاء على الطاقة وتخزينها، أما غرافين، وهي طبقة من الكربون ذات الطراز الواحد، فهي واحدة من أكثر المرشحين واعداً، إذ أن أسلوبها غير العادي في السلوك الكهربائي، وقوامها الميكانيكي، والمرونة يجعلها مثالية للكهرباء الفلكية الفلكية الفلزية، والمركبات الفائقة الوزن الخفيف.

كما أن النانووبات النانوية الكربونية هي ابتكار آخر في مجال القيادة النانوية، وعندما تدمج في مركبات متعددة الزمرات، فإن هذه المبيدات تحسن بشكل كبير الإدارة الحرارية - وهو عامل حاسم بالنسبة لمجموعات البطاريات المحمولة التي يمكن أن تفر أثناء الشحن السريع، وبالإضافة إلى ذلك، تستخدم راتنجات الأوكسجين التي تستخدمها اللجنة الوطنية لتوليد الحد الأدنى من التراكم في أجهزة التحلل الحراري المحمولة.

المتفوقون: مرنة، قوية، وذوي القدرة الذاتية

ويجد البوليمرات الحرارية مثل البوليثر الثنائي الفينيل المتعدد البروم وبوليمرات البلورات السائلة تطبيقات في أجهزة الكشف والوصل المحمولة للطاقة، كما أن بيك، مثلا، يوفر مقاومة عالية الحرارة (حتى التصميم البالغ الصغر 176؛ جيم) والعدوى الكيميائية، مما يجعلها مناسبة للبيئات الحمضية القاسية من خلايا الوقود المحمولة المعرضة للمركبات، في الوقت نفسه.

المواد المُستنزَمة بيولوجياً ومستدامة

وقد قضت الطبيعة مليارات السنين في الكمال الخفيف، والهياكل القوية، فالمهندسون يقترضون الآن هذه التصميمات والمواد نفسها - لإنشاء أجهزة طاقة متجددة محمولة ذات أداء عال وسليمة بيئياً على حد سواء.

مواد البنية الأساسية الحيوية

ويُعدّ حرير العنكبوت أحد الألياف الطبيعية المعروفة، وهي أقوى من الفولاذ، حيث إنَّ بروتينات الحرير التركيبية التي تنتج عن تخمير اليود المصممة جينياً، تُبث الآن في الأفلام والألياف الخاصة بالكابلات الكهربائية الخفيفة الوزن والتي يمكن أيضاً تحللها أحيائياً، كما أنَّ الهيكل الهرمي لمعطفات النانوغرافية (و-أما-أضبة)

(ب) النسيج النباتي - المزلاج أو الكبريت أو ألياف الخيزران المحتوية على راتنج مثبتة بيولوجياً - بديل متجدد للألياف الزجاجية، وهذه المواد تظهر بالفعل في أغلفة محطات الطاقة المحمولة وحزمة الريح الناشلية، مما يوفر صبغة يقظة ويخفض آثار الكربون.

المواد القابلة للتحلل البيولوجي والمعاد تدويرها

إن صناعة الطاقة المتجددة المحمولة، مثل قطاع الإلكترونيات الأوسع، تكافح مع نفايات نهاية العمر، وحامض بوليليكيك (PLA) وبوليهيدروكياكلانويتس (PHAs) هي بوليمرات قابلة للتحلل الأحيائي يجري الآن صياغتها لتحمل الحمولات الحرارية والأشعة فوق البنفسجية من الاستخدام في الهواء الطلق، وفي حين أن الجيل الحالي من البوليمرات البيولوجية لا يزال يخترق البلاستيك المتطور في الأجل الطويل.

وبالنسبة للعناصر المعدنية، فإن السبيكات المغنزية الجديدة - مثل AZ91 و Elektron 43 -offer استثنائية للوزن (30#37؛ أخف من الألمنيوم) ويمكن إعادة تدويرها بالكامل، وتوضع الأطر المغنزية على شكل أولي للوجبات الخفيفة من خلايا الوقود ونظم الطاقة الكهرمائية الصغيرة، وتواجه التحديات التي تنطوي على التآكل معالجة سطحية جديدة مثل الرش الكهربائي.

تطبيقات على مختلف أجهزة الطاقة المتجددة المحمولة

والمواد الخفيفة التي تمكن من توفير مجموعة أوسع من أجهزة الطاقة المحمولة من أي وقت مضى، وهنا ندرس أهم مجالات التطبيقات والمواد المحددة التي تجعلها ممكنة.

محمولة

وتوجد أجهزة شحن ذاتية تعمل بالطاقة الشمسية وطلاء البطانيات الشمسية لسنوات، ولكنها كثيرا ما تكون ثقيلة وهشة، ويبقى أحدث جيل من خلايا التحلل الحراري المحمولة التي تُملأ في ETFE (ايثيلين تيترافلورو إيثيلين) على قيد الحياة، وأفلام متعددة البوليمرات ذاتية ذاتية اللون الخفيف (دون 1 كيلوغرام لكل متر مربع) وتتسم بالشفافية الشديدة.

Portable Wind Turbines

(ب) تُزن عادةً بين الريح الصغيرة في التخييم أو الاستخدام البحري أو الطارئ 10-30 كغم، مما يحد من إمكانية نقلها، وباستبدال أبراج الفولاذ بأعمدة الألياف الكربونية القابلة للتلف، وباستخدام أجهزة الترميز ذات الصبغة الحرارية المُنقَّعة (المُنفَّذة بحزمة نانووب الكربون)، وشركات مثل Hywind()

محمولة لتخزين الطاقة: البطاريات والمركبات الخارقة

أما مجموعات البطاريات التي تحمل بطاريات الريثيوم فهي ما زالت تمثل مجموعة من الطاقة المحمولة، ولكن وزنها يهيمن عليه جامعو المعادن الثقيلة (النحاس والألومنيوم) ويمكن أن يقلل من ذلك الوزن، كما ذكر سابقا، من خلال زيادة عدد البطاريات التي تستخدم في الطاقة الكهرمائية، كما أن البطاريات ذات الحجم الكمبيئي المميتة التي تحل محل البطاريات السائلة ذات الشكل الصلب أو البوليمرات، هي عوامل ذات طبيعة أكثر أمانا.

(ج) المكثفات، المستخدمة في طلقات سريعة من الطاقة في أجهزة محمولة، تستفيد مباشرة من كهرباء الهروجيل الخفيف الوزن، وتتجاوز هذه الهياكل مساحات سطحية محددة 000 1 متر (2) /g، الكثافة التي تتيح الطاقة التي تقترب من البطاريات الرصاصية، مع كونها صلبة ومرنة تماماً.

خلايا الوقود المتحركة

وقد ظلّت تعقّب الهيدروجين المخزن في سفن ضغط الوزن الخفيف تحدياً منذ فترة طويلة، حيث كان الألياف المركبة من النوع الرابع - مركبات الكربون المغلفة بالكامل حول الهيدروجين ذو الكثافة العالية من البوليثيلين - الحاويات الفوقية عند 700 بار بينما كانت تزن 75#37؛ وأقل من صهاريج فولاذ، وهي الآن نموذجية في نظم خلايا الوقود المحمولة مثل تلك التي تستخدم في [إطلاقات المعادن الذكية].

التحديات والمفاضلات

ورغم الوعد، فإن المواد الخفيفة الوزن تطرح تحديات جديدة يجب إدارتها بعناية لكي تنجح أجهزة الطاقة المحمولة في الميدان.

التكلفة والتصنيع

أما الألياف الكربونية والغرافيين وسحنك العنكبوت التركيبي فلا يزال باهظ التكلفة لإنتاجه على نطاق واسع، وفي حين أن الطلب على الفضاء الجوي قد دفع أسعار ألياف الكربون إلى نحو 10 إلى 20 دولاراً لكل كيلوغرام، فإن ذلك لا يزال 5 إلى 10 أضعاف تكلفة الفولاذ أو الألمنيوم، وبالمثل، فإن الأفلام الغرافية العالية الجودة تكلف مئات الدولارات لكل غرام، مما يحد من استخدامها في إنتاج النماذج الأولية للبحوث.

الدوام في بيئة هرش

فاللاطفاء كثيرا ما يكون على حساب القوة، إذ يمكن أن تزيل الألغام الألياف الكربونية إذا لم تكن مصممة بشكل سليم لتحميل الأعاصير، وقد تتدهور البوليمرات القابلة للتحلل الأحيائي بسرعة كبيرة تحت الإشعاع العالي الأشعة فوق البنفسجية أو الوزع الصحراوي، وتستلزم هذه القضايا تطويقا سطحيا متقدما، واختيارا دقيقا للمواد، واختبارا متسارعا للحياة، على سبيل المثال، فإن الأشعة المتطورة ومزودة بالأشعة فوق البنفسج واقية ومزودة بالأشعة فوق البنفسجية.

إعادة التدوير وإدارة نهاية العمر

فالالمواد المركبة يصعب إعادة تدويرها بشكل ملحوظ لأنها خليط من الألياف والمقاييس، وفي حين يمكن استعادة ألياف الكربون عن طريق التحلل الحراري، فإن العملية تتطلب طاقة كثيفة وارتفاعاً في الألياف، أما البوليمرات القابلة للتحلل الأحيائي فتتطلب، من جهة أخرى، مرافق للتخزين الصناعي غير متاحة على نطاق عالمي.

التوقعات المستقبلية

ويشير مسار تطوير المواد الخفيفة الوزن إلى أجهزة الطاقة المتجددة المحمولة التي ليست أخف وأقوى فحسب، بل هي أيضا أذكى وأكثر استدامة.

وتتسارع المعلومات الاستخبارية الفنية (AI) في اكتشاف المواد: تفحص نماذج التعلم الآلات الملايين من المزيجات المتعددة الكلورات والمزروعات الجسيمات المرشحة للتنبؤ بأفضل مزيج من الوزن والقوة والسلوك والتحلل الأحيائي، وفي عام 2023، استخدم الباحثون في معهد الدراسات المتقدمة (MIT) جهازاً جديداً لتحديد نوع من المركب الهوائي الذي هو قوي مثل الفولاذ ولكنه يبلغ 90#37؛ خفيف، مصنوع من مادة البلاستيك المه.

وسيصبح التصنيع الاصطناعي مركزياً في الصناعة، إذ يمكن للطابعات المتعددة المواد ذات الـ 3D أن تُودع بالفعل أجهزة حرارة مُعززة بالنسيج الكربوني إلى جانب آثار فضية مُضَوِّلة، مما يُنشئ إطاراً لللوحات الشمسية مع ربط الأسلاك المتكاملة في طبعة واحدة، مما يقلل من الوزن عن طريق إزالة الموصلات والصومات، وقد تُدرُبُبُعُ البصمُ في المستقبل حُصُصُ على بُصات الأحيائية التي تُصِّلَتُصِّلَتَتَتَتَتُصُ تستخدمُصُصُصُ تستخدمُصُصُصُبُصُصُبُبُبُصُصُبُبُبُبُبُبُ تستخدمُ تستخدمُبُبُبُبُصُصُصُبُ تستخدمُصُبُبُبُبُبُبُبُبُبُبُبُبُ تستخدمُبُبُ بَاتُبُبُبُبُ

وسيؤدي الدفع نحو اقتصاد دائري إلى اعتماد نظم مادية قابلة لإعادة التدوير بالكامل وتحلل بيولوجياً، وقد تكون محطات توليد الطاقة المحمولة جاهزة تماماً من مركبي النانوفبيرات الخلوية والبطاريات النباتية، وإذا كان ذلك يمكن أن يضاهي أداء مجموعات الليثيوم التقليدية، فإنها يمكن أن تقلل كثيراً من عبء النفايات الإلكترونية.

وأخيراً، فإن مجالات تطبيق جديدة - من الأفران الشمسية القابلة للزراعة إلى التربينات الريحية المجهزة بالطائرات بدون طيار - ستتطلب مواد مرنة وقابلة للتمدد وحتى شفافة، وتولد الأنياب الارتطام في الملابس قدرة كافية للحفاظ على بطارية هاتف ذكية، والمواد المستخدمة خفيفة مثل القطن، وبما أن الاستثمار العالمي في الطاقة المتجددة لا يزال ينموا، فإن الابتكارات المبينة هنا ستكون أساسية في إيصال الطاقة النظيفة إلى أي مكان تحتاج إليه.

وباختصار، فإن التآزر بين علوم المواد وهندسة الطاقة المحمولة ينتج جيلاً جديداً من الأجهزة التي تكون أخف وأكثر صرامة وأكثر ملاءمة للبيئة، وفي حين أن التحديات المتعلقة بالتكلفة وإعادة التدوير لا تزال قائمة، فإن وتيرة الابتكار توحي بمستقبل تقل فيه الألواح الشمسية المحمولة عن وزنها كمبيوتر محمول، ويمكن تعبئة التوربينات الريحية في حقيبة ظهرية تُمكِّن مغامراتنا وحالات الطوارئ على حد سواء.