The Potential of Piezoelectric Flooring to Generate Power in High Foot-traffic Areas

ومع استمرار نمو المدن وازدياد أعداد سكان المدن، لم يكن الطلب على حلول مستدامة ولا مركزية للطاقة أكثر إلحاحا، فقد أصبحت شبكات الطاقة التقليدية تحت ضغط متزايد، والحاجة إلى إدماج مصادر الطاقة المتجددة في البيئة المبنية هي أولوية بالنسبة للمهندسين والمهندسين والمخططين الحضريين على حد سواء، وهذه التكنولوجيا التي انتقلت بهدوء من فضول المختبرات إلى مشاريع رائدة في العالم الحقيقي هي التحول إلى الحد الأدنى من الطاقة الكهربائية.

ما هو "بيزوليستي فلورينغ"؟

ويُعدّ طابقاً مائياً مدمجاً في نظام جمع الطاقة يعتمد على تأثير الفطائر - وهو ملك لمواد بلورية معينة (مثل الهرزال، أو بطارية الزركنة، أو PZT) لتوليد شحنة كهربائية عندما تكون مزودة آلياً، وعندما تكون خطوات المشاة على مفاعل مُجسّدة بهذه المواد، فإنَّات الضغط المُطبقة يمكن أن تُسرَّد.

وقد تطورت التكنولوجيا إلى ما يتجاوز البلاط الخزفي الصلب، ويمكن تصنيع الأرضية الحديثة من الفطائر المزودة بالبراميل المرنة والنموذجية التي تكون دائمة بما يكفي لمواجهة حركة السير الثقيلة، والظروف الجوية، وعمليات التنظيف، وتستخدم بعض التصميمات طبقات متراكمة من البوليمرات المطاطية أو المركّبات لزيادة إنتاج الطاقة لكل خطوة، وتتوفر الطاقة عادة في نطاق بضعة مليارات.

وفي السياق، يمكن أن ينتج عن خطوة واحدة ثقيلة على المستوى الأمثل من المثقوب الفائق أن تُنتج حوالي 10 إلى 20 ميليوات، وفي حين يبدو ذلك غير ذي شأن، عندما تضاعفت عبر آلاف الخطوات في الساعة في مركز عبور مشغول، تصبح الطاقة التراكمية ذات معنى - بما يكفي لتوليد الطاقة الأساسية الصغيرة مثل بطاقات الدخول، أو عروض المعلومات، أو الإضاءة الطارئة دون سحبها من الشبكة.

رسوم تشغيل المركبات

الطاقة المستدامة الحقيقية من الصدع الحالي

فالحد الأدنى من الطاقة هو أحد النظم القليلة لجمع الطاقة التي تدمج مباشرة في البيئة القائمة التي تبنى دون الحاجة إلى حيز إضافي أو توربينات الرياح أو الألواح الشمسية، ولا تحتاج إلى أي وقود، ولا تنتج أي انبعاثات أثناء التشغيل، ولا تعد المادة الخام الوحيدة التي توزعها حركة إنسانية - نشاط يحدث بالفعل، وفي مراكز حضرية كثيفة حيث يكون الفضاء المفتوح للمزارع الشمسية أو التوربينات الريحية شحيحة، تمثل القدرة على إعادة استخدام الطاقة اليومية.

وفورات الطاقة الملموسة واستقلال غريد

في بيئة عالية الارتفاع، يمكن أن توفر البلاط الفائق الطاقة جزءا كبيرا من الطاقة اللازمة للهياكل الأساسية ذات الطاقة المنخفضة، على سبيل المثال، محطة قطار الأنفاق المشغولة في طوكيو قد ترى عدة مئات من آلاف الركاب يوميا، وإذا أعيدت معالجة جزء من المجرى بأعمدة فائقة، فإن الطاقة المحصولة يمكن أن تُقلل من سرعة تشغيل المحطة وتُوقع لعدة ساعات يوميا.

انخفاض الصيانة وطول العمر

وتصمم البلاطات الفائقة الحديثة بحيث تكون قوية وطويلة الأمد، إذ يُعدّل العديد من الصانعين طابقها لملايين دورات التحميل، مقارنة بطابق الطوابق الصناعية، ويعني الطابع الصلب للمواد الفائقة التجميل عدم وجود قطع متحركة للزراعة، ويمكن أن تُغلق دائرة التكييف الإلكتروني على الغبار والرطوبة، وتقتصر الصيانة عادة على التنظيف السطحي وعمليات التفتيش الدورية للطرق الكهربائية.

Scalability Across Diverse Environments

فالحد الأدنى من البيزوسيلي ليس منتجاً واحداً يناسب الجميع، ويمكن تصنيع الترميزات في أحجام مختلفة، وشكلات، وقدرات تحميل، ويمكن تركيبها في الممرات، والسلالم، وأرضية الرقص، وحتى في الطرق للمركبات (وإن كان هذا التطبيق يواجه تحديات تقنية مختلفة)، ومن ثم فإن هذا التدرج يتيح للمخططين الحضريين البدء في مناطق تجريبية صغيرة، وتوسيع نطاق التغطية التدريجية مع نمو التكنولوجيا وتكاليفها.

التحديات والحدود

Modest Energy Yield Per Step

إن أهم تحد للطابق الأرضي الحالي للثدييات هو كمية صغيرة من الطاقة المتولدة عن خطى، وحتى مع المواد المتقدمة والتحسين الميكانيكي، فإن خطوة واحدة لا تؤدي إلا إلى بضع ثوان من الألف من الفول السوداني، وكمية الطاقة التي تتطلب عشرات الآلاف من الخطوات في الساعة في منطقة كبيرة مركبة، ومن الناحية العملية، فإن تركيبة متطورة من المحركات المتطورة التي تغطي 100 متر مربع قد تولد الطاقة.

تكاليف التركيب الأولية

وتزداد تكلفة الحد الأدنى من الطاقة الكهربائية حالياً أكثر من المواد التقليدية الأرضية، وتشمل التكلفة البلاط المتخصص والأسلاك والالكترونيات لتكييف الطاقة، وعمالة التركيب، وتختلف التقديرات اختلافاً كبيراً، ولكن إدماج الحد الأدنى من الفطائر في مبنى جديد يمكن أن يضيف 30 في المائة إلى 50 في المائة إلى ميزانية الحد الأدنى مقارنة بالإطار المعياري أو الخرساني، بل إن إعادة تحديد الطوابق الحالية أكثر تكلفة لأنها تتطلب في كثير من الأحيان إعداد الهياكل الأساسية وتسويات الهيكلية.

التكامل التقني وإدارة الطاقة

وثمة تحد آخر يتمثل في استخلاص وإدارة الإنتاج الكهربائي المتغير المنخفض التقلبات، والطاقة من خطى الاقدام متقطعة ومتباينة في السعة، ويجب أن تشمل دوائر إدارة الطاقة الفعالة أجهزة التصحيح، ومحولات التعزيز، والتخزين (المكثفات الخارقة أو البطاريات الصغيرة) من أجل سلاسة الإمداد وتوفير الطاقة القابلة للاستعمال في مركب ثابت.

مفهوم المستعمل ورفيقه

ويجب ألا يؤدي الحد الأدنى من الأرضيات فقط إلى أداء الكهرباء بل أيضاً إلى الشعور بالراحة والأمان تحت القدمين، بل إن البلاط الفائقة الفطائر كان أحياناً لديه شعور ربيعي أو غير متكافئ، مما قد يسبب عدم ارتياح أو إهانة للمسافات الطويلة التي تسير فيها، وقد تضمنت بعض التصميمات طبقة عالية متصلبة تقلل من الفرق في القطعة، ولكن هذا أيضاً قلل من التحلل الميكانيكي وبالتالي من إنتاج الطاقة.

الثغرات التنظيمية والتوحيدية

ونظراً إلى أن تكنولوجيا الكيمياء نسبياً، فإن الحد الأدنى من الفطائر يفتقر إلى بروتوكولات اختبار موحدة، ومبادئ توجيهية بشأن قواعد البناء، ومنح شهادات السلامة العامة المشتركة في الطوابق التقليدية أو الهياكل الأساسية الكهربائية، وهذا عدم اليقين يبطئ من الاعتماد، ولا سيما في المشاريع العامة الواسعة النطاق التي تتسم فيها المسؤولية والمدونات بأهمية حاسمة، وتعمل اتحادات الصناعة ومنظمات البحوث على تطبيق المعايير، ولكن القبول الواسع النطاق لا يزال قائماً منذ سنوات.

المشاريع الرائدة التطبيقية في العالم الحقيقي

محطة طوكيو، اليابان

وقد تم تركيب أحد الطيارين الأوائل والمعرفين في محطة طوكيو من قبل شركة السكك الحديدية في شرق اليابان بالتعاون مع شركة إلكترونية يابانية، وقد تم تركيب جزء من منطقة بوابة التذاكر بأحزمة فطيرة، واستخدمت الطاقة المحصولة لتوليد عروض إعلامية مجاورة وإضاءة مزودة بالأشعة الليبرالية، وأثبت المشروع أن التكنولوجيا يمكن أن تصمد أمام حركة المرور العالية في أحد أكثر محطات القطارات أهمية في العالم.

External link:] ]Case study on the Tokyo Station piezoelectric flooring pilot

لندن، المملكة المتحدة - نظم بافين

وقد نشرت شركة بافين، وهي شركة مقرها في المملكة المتحدة، أرضية فائقة الارتداد في عدة مواقع عالية الارتداد في جميع أنحاء العالم، بما في ذلك مطار لندن، ومركز تسوق في مانشيستر، وجامعات مختلفة، وتصمم أبطالها كوحدات نموذجية منخفضة المستوى يمكن أن تحل محل الطوابق القياسية، وفي مطار لندن، توجد نقاط للرقص في محطة " باس " ، وتظهر معلومات عن الرحلات الرقمية في مرحلة مبكرة.

External link:] ] ] Pavegen’s London City Airport installation]

باريس، فرنسا - باريس ميترو

وخلال الألعاب الأولمبية لعام 2024، أجرت هيئة النقل في باريس اختبارات على قاعات فطائر في محطة ريبوبليك في مترو، وشملت هذه المحاكمة ممراً على 50 متراً مربعاً، وولدت قدرة كافية لإبراز لوحات الإعلانات القريبة وكشك المعلومات، وكان الهدف من المشروع هو تقييم ما إذا كان يمكن نشر التكنولوجيا في سائر محطات التهريب العالية في الشبكة.

تحسين المواد والكفاءة الناشئة

وتتسارع البحوث في المواد الفائقة الفطائر المتقدمة، وبينما لا تزال مادة التيتانيت التيارات التي تحتوي على الزركونات هي أكثر المواد شيوعاً بسبب معاملها العالي الفطيري، فإن الشواغل المتعلقة بالسمية الرائدة قد أدت إلى تطوير بدائل خالية من الرصاص مثل نبتة الصوديوم البيرازيوم (KNN) وتيتانات الصوديوم البكمية (BNT) رغم أن هذه المواد تعتبر خصائص تجارية غير ملائمة للبيئة وتظهر فطيرة.

وثمة اتجاه واعد آخر يتمثل في استخدام البوليمرات الفائقة الفطائر مثل فلوريد بوليفينيلدين (PVDF) وهي مرنة، خفيفة الوزن، ويمكن صنعها كأفلام رقيقة، مما يجعلها مثالية لتطبيقات الحد الأدنى التي يجب أن يحافظ فيها البلاط على الازدواج، وقد أظهر الباحثون في جامعة ويسكنسين - ماديسون نموذجاً خامياً مبنياً على الفول السوداني يمكن أن يولد في ظروفاً مساحتياً تتراوح بين 0.5 واط.

وثمة نهج ثالث يشمل الجمع بين مواد التفريغ الفائقة مع التأثيرات الثلاثية الأبعاد (الكهرباء الكهربية التي تنتج عن الاحتكاك بين مختلف المواد) ويمكن للمسببات النانوية المختلطة التي تنتج طاقة كافية ولكن لا تزال تواجه صعوبات في التحمل، أن تلتقط الطاقة من ضغط الاقدام والحركة التحللية، وقد تضاعف إنتاج الطاقة.

المستقبل: نحو بنية أساسية حضرية ذكية

ويرتبط مستقبل طابق الفطائر ارتباطا وثيقا بالرؤية الأوسع للمدن الذكية، حيث أن أجهزة الاستشعار باليو تي، والإضاءة الذكية، والبنى التحتية الرقمية ستنمو بصورة مباشرة، والحاجة إلى مصادر طاقة لا مركزية منخفضة الطاقة، ويمكن أن يصبح الحد الأدنى من الطاقة عنصرا قياسيا في تصميم المباني العامة الجديدة، ومراكز النقل، ومناطق المشاة، بدلا من تشغيل أجهزة تكييف الطاقة من الشبكة.

وتشير توقعات التكاليف إلى أنه مع تحسن مستويات التصنيع والكفاءة المادية، فإن السعر لكل إطار يمكن أن ينخفض بنسبة 40 في المائة إلى 60 في المائة على مدى العقد المقبل، مما يجعل التكنولوجيا صالحة اقتصاديا لمشاريع التشييد الرئيسية، وبالإضافة إلى ذلك، بدأت الحكومات ونظم التصديق على البناء الأخضر (مثل نظامي LEED و BREEAM) تعترف بجني الطاقة المجسدة، مما يمكن أن يوفر إعانات أو ائتمانات للمطورين الذين يدمجون الحد الأدنى من الفطائر.

وثمة حدود مثيرة أخرى هي دمج الحد الأدنى من الفطائر مع نظم متجددة أخرى، فعلى سبيل المثال، يمكن لمحطة القطار أن تجمع بين الألواح الشمسية السطحية، والأورام المصغرة، والأرضية الفائقة الصغر لإنشاء مقياس للطاقة يقترب من الازدهار الذاتي، وأثناء ساعات الذروة التي يمكن فيها أن لا تشرق الشمس (وبخاصة في الشتاء)، يمكن أن تملأ الفجوة في الليل الحركية من حركة السير.

كما أن التصور العام يؤدي دوراً في هذا الصدد، إذ أن المظاهرات التي تجري في أحداث مثل الألعاب الأولمبية في باريس في عام 2024 وفتح مطارات أو محطات تدريب جديدة تولد تغطية إعلامية إيجابية وتتعرف على الناس بالتكنولوجيا، فعندما يرى الجمهور منافع ملموسة - مثل محطات الشحن التي تتحكم فيها خطى أقدامهم - من المرجح أن يزداد القبول والطلب.

بيد أنه من المهم أن يُعتد بالتوقعات، فالحد الأدنى من الطاقة الكهربائية لن يحل أبداً محل محطات توليد الطاقة الواسعة النطاق أو يحل أزمة الطاقة العالمية بمفردها، بل ينبغي النظر إليها على أنها أداة واحدة في مجموعة واسعة من التكنولوجيات الموزعة والمصغرة، وقيمتها القصوى هي خفض الطلب على الشبكة وتخفيض التكاليف التشغيلية وتوفير رموز بارزة للاستدامة تشرك الجمهور وتثقيفه.

وما زالت البحوث والتطوير تضغط على الحدود، وقد نشرت جامعة كوردوبا في إسبانيا مؤخرا ورقة عن إطار مركب جديد من فطائر الفطائر يمكن أن يجني الطاقة من الضغط الرأسي والقصف الأفقي على السواء، مما يعزز كفاءة التحويل عموما بنسبة 20 في المائة مقارنة بالتصميمات القياسية، ويمكن لهذه الابتكارات، إلى جانب وفورات الحجم، أن تحول الحد الأدنى من فطائر الفطائر من جديد إلى سمة موحدة من تصميم الجيل الحضري المقبل.

خاتمة

إن الحد الأدنى من الطاقة في المنطقة يمثل نهجا خلاقا وواعدا في مجال جني الطاقة النظيفة من حركة الناس، وفي حين أن القيود الحالية في إنتاج الطاقة وتكاليفها تحول دون انتشارها على نطاق واسع، فإن التقدم المطرد في علوم المواد، وتخفيض التكاليف، وتجربة العالم الحقيقي تمهد الطريق لاعتمادها على نطاق أوسع، أما بالنسبة للمناطق ذات المستويات العالية من الطاقة، فهي محطات القطار، والمطارات، ومراكز التسوق، والملاعب التي تتطور بشكل ملموس.

External links:]