الحاجة المتزايدة إلى رصد الهياكل الأساسية ذات الدفع الذاتي

ومع أن السحابات تجتاز علامة الألف متر، فإن المطالب على نظمها الخاصة برصد الصحة الهيكلية تنمو بشكل مكثف، وتعتمد هذه النظم على شبكات مكثفة من أجهزة الاستشعار التي تقوم باستمرار بقياس الإجهاد، والإجهاد، والتشريد، والبلط، والهزاء، وتكتنف البيانات التي تجمعها أهمية حاسمة في الكشف عن علامات التبكير بالتهاب أو التلف أو النسيج الخطير.

فالنهج التقليدية التي تدير كابلات كهربائية مخصصة أو تعتمد على البطاريات التي يمكن استبدالها والتي لا يمكن استخدامها في ارتفاعات شديدة، وتكلفة وثقيلة وقابلية للتلف، وتحتاج البطاريات إلى استبدال دوري في المناطق التي يصعب الوصول إليها، وتثير التخلص منها شواغل بيئية، وهذه القيود تخلق حاجة ملحة إلى مصادر طاقة بديلة يمكنها أن تبقي أجهزة الاستشعار تعمل منذ عقود مع الحد الأدنى من التدخل البشري.

إن جمع الطاقة العشوائية يوفر حلاً قاهراً، إذ إن سكايسكرات في حركة مستمرة: فطائر الرياح، والنظم الميكانيكية، وحركة السير، وحتى الظواهر السيزمية البعيدة تنتج يقظة آلية عبر مجموعة واسعة من الترددات، وبإلقاء جزء صغير من تلك الطاقة الحركية المحيطة، يمكننا أن نوفر الطاقة المتجددة المكرســة للأجهزة الثابتة إلى أجل غير مسمى.

تحدي أجهزة استشعار السلطة في الطول

كما أن وضع أجهزة الاستشعار على جهاز السحاب هو تبادل بين التغطية وإمكانية الوصول، حيث أن أهم المواقع - الطابق العلوي، والسطح، والواجهة الخارجية، وداخل المنطقة الأساسية هي أيضا أصعب ما يمكن الوصول إليه، كما أن مجموعة البطاريات التي تستمر خمس سنوات في المختبر قد تستمر سنتين فقط في درجات الحرارة القصوى وفي حمولات الرياح من بيئة عالية الخطورة، مما يتطلب اعادة تشكيل بطارية واحدة على الأرض 80.

فالنظم المطلة على الأسرار تمثل عيوبها الخاصة، وقد يتطلب نظاما كاملا للتشغيل المائي المائي لبرج خارق الكواليس كيلومترا من التكتل، مما يزيد من وزنه وتكلفته، ويجب توجيه الكابلات عبر محطات إطفاء الحرائق والعناصر الهيكلية، كما أنها تخلق نقاطا محتملة للفشل، وفي بيئة بناء نشطة أو خلال مشاريع إعادة الارتداد، كثيرا ما تكون الأسلاك الجديدة مسببة للاضطرابات.

وقد دفعت هذه القيود مهندسي البناء إلى ]] الاستقلالية في الطاقة - مستشعرات يمكنها أن تجني ما يكفي من الطاقة من بيئتها المباشرة للعمل دون روابط خارجية.

كيف يعمل مهرجان الطاقة

إن جمع الطاقة غير المنطقي يحول الحركة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية تستخدم واحدة من عدة آليات للاختراق، والمبدأ الأساسي بسيط: إن هيكلاً يهتز يحتوي على طاقة حركية، وبجمع جهاز آلي لهذا الحركة، يمكننا أن نولد فولت أو تياراً يمكن تصحيحه وتخزينه.

ومعظم المحصولين مصممون ليكونوا ]مترجمين من طراز FLT:0[ مؤمنين ][ إلى ترددات اليقظة السائدة في الهيكل المضيف، وبالنسبة لجهاز السحاب النموذجي، فإن تردد الطرق الأساسي قد يتراوح بين ٠,١ و ٠,٥ هرتز )للمباني عموما عند حدوث انخفاض في الترددات( إلى عدد من عشرات الهرتز بالنسبة للثبات النسبية المحلية.

وكثيراً ما تكون الطاقة المحصولة صغيرة جداً من الميكروات إلى بضعة ملليوات لكل جهاز، ولكن يمكن للمستشعرات الدقيقة الحديثة أن تعمل على بضعة عشرات من المايكرويوتات، وبتخزين الطاقة في بطارية معتدلة أو ذات مدافن رقيقة، يمكن لمجمعات الاهتزاز أن يتراكم ما يكفي من الشحنات لأخذ قراءات أجهزة الاستشعار، وتجهيز البيانات، ونقلها عبر سلكية.

وتشكل دوائر إدارة الطاقة عنصرا حاسما، إذ يجب أن تضاهي النواتج المتغيرة لمجمع المحاصيل مع متطلبات الطاقة التي يحتاجها جهاز الاستشعار، وتخزن الطاقة الفائضة، وتنظم التطاير، وقد وضعت رقائق جديدة للقوى الكهربائية فوق الصوتية خصيصا لتطبيقات توليد الطاقة، مما يتيح تشغيلا موثوقا به بأقل من ميكروز من الطاقة المستمرة.

أنواع محارِض الطاقة الافتراضية

وتهيمن ثلاثة تكنولوجيات رئيسية للترجمة على الميدان وهي: فطيرة الفطائر، والكهرباء، والتريبوقراطية، ولكل منها قوة متميزة، وأفضل ملاءمة لظروف مختلفة من حيث اليقظة ومتطلبات الطاقة.

Piezoelectric Harvesters

وتولد المواد الكهربية في بيزويليك شحنة كهربائية عندما تُدرَّب ميكانيكياً، وفي أحد المحصولين، يُلحق بنا شعاع من نوع المكندس مع طبقة فطيرة، كما أن فيتامينات البناء، ونحلات الشعاع، تنتج فولتات متناوبة، وتشمل المواد المشتركة التيتانات الزيركونية وفلوريد البوليفينيلدين.

ويرتبط محصولو الطاقة الكهربائية بالتصميم، ولا تحتوي على أجزاء متحركة غير الشعاع نفسه، ويمكن اختلاقها باستخدام تقنيات غير ميكانيكية صغيرة الحجم، وهي تتفوق على مستويات أعلى من الترددات (فوق 10 هز) ويمكن أن توفر كثافة الطاقة في نطاق يتراوح بين 10 و100 ميكروواط و3 عندما تُدرَب على نحو صحيح عناصر الارتداد غير الحاد في تصميمات.

مولدات كهربائية كهربائية كهربائية

ويمارس المحصولون المغناطيسيون نفس المبدأ الذي يُستخدم فيه الديمونو: تحركات مغناطيسية دائمة تتعلق بكوكتيل، تُشغّل تياراً، وفي تطبيق لسحابة السحاب، يُعلق المغناطيس على ربيع داخل أنبوب مغلوف بجهاز نحاس، ويُهزّ حركة البناء التجمع، مما يُسبّب المغناطيس في النسيج ويولد الكهرباء.

وهذه الأجهزة مناسبة تماماً للاهتزازات المنخفضة التردد (أقل من 10 هرتز)، التي تضاهي حركة المباني الطويلة، ويمكن أن تنتج تيارات عالية نسبياً، ولكن فولت أقل من تصميمات الفطائر، وقد يوصل محصول الكهرومغناطيسي مصمم جيداً 0.5-5 ميغاواط من ممر البناء المعتاد الذي يتسبب فيه الرياح، وتتجاوز آثارها الرئيسية طول العمر أجزاء من التصاميم المتحركة.

مسببات الناجين المتتالية

ويعتمد المولدات الكهربائية الثلاثية على كهربة الاتصال والتعريف الكهروستاتي، وقد تم الاتصال بمواد ذات كفاءة كهربائية مختلفة ثم فصلها، مما يخلق اختلالا في الرسوم يقودها إلى وجود دائرة خارجية، ويمكن أن تُصنع الغازات الصغيرة من الوزن الخفيف، والبوليمرات المرنة، ويمكن أن تُجمع الطاقة من حركة منخفضة جدا، وحركة عالية.

وقد أدت التطورات الأخيرة في مجال التكنولوجيا النانوية إلى إنتاج الغازات الصغيرة التي تبلغ كثافة الطاقة فيها عدة مئات من الخاطيش لكل متر مربع في العمليات المجردة، وإن كان متوسط الطاقة المستمرة أقل بكثير، فبساطة هذه الغازات وانخفاض تكلفتها وقدرتها على الحصاد من اليقظة غير القانونية تجعلها جذابة لبعض تطبيقات السحاب، ولا تزال في مرحلة البحث الخاصة بالرصد الهيكلي الطويل الأجل، ولكنها أثبتت في مشاريع تجريبية على أساس التلاشيط.

Advantages for Skyscraper Structural Health Monitoring

إن اعتماد جني الطاقة الفعّالة لأغراض استشعار الطاقة يُدرّب عدة فوائد ملموسة تتجاوز مجرد القضاء على البطاريات.

  • ]True maintenance —free operation.] Once installed, a vibration —powered sensor node can operate for the life of the building - 20, 50, or more years-without any physical intervention. This is particularly valuable for sensors embedded in concrete, sealed within structural columns, or affixed to the exterior curtain wall.
  • Scalability and density.] Because each harvester is independent, sensor networks can be deployed at high density-hundreds or thousands of nodes-without worrying about power distribution. More data points mean finer spatial resolution of structural behaviour, enabling earlier detection of localised damage.
  • Environmental sustainability.] No batteries to manufacture, ship, replace, or dispose of. The environmental footprint of a large SHM system is dramatically reduced. The energy harnessed from the building itself is a clean, renewable source that would otherwise be dissipated as heat.
  • Resilience during outages.] Vibration harvesters continue to operate even if mains power is lost due to an earthquake or storm. This ensures that sensors remain active during the very events that threaten the structure, collecting critical postevent data for forensic analysis.
  • () Integration with wireless communication.] Modern lowpower wireless protocols (e.g., LoRaWAN, Bluetooth Low Energy, Zigbee) consume only microjoules per transmission. A vibration harvester producing 1 mW average power can support a sensor that takes readings every 5-10 minutes and transmits data

التحديات الحالية والحلول الهندسية

ورغم وعدها، فإن جمع اليقظة لمستشعرات السحاب لم يعد بعد تكنولوجيا للضغط واللعب، ولا تزال هناك عقبات تقنية وعملية عديدة.

كثافة الطاقة وميزانية الطاقة

أما مستويات الاهتزاز في منطقة مكتبية نموذجية من مبنى مرتفع، فهي أقل من 0.1 غم (1 غ = 9.8 م/ق2) عند الترددات فوق 1 هز.() وقد لا ينتج المحصول سوى 10 إلى 100 ميكروغرام في ظل هذه الظروف، وهذا يكفي لدرجات حرارة أو حساسات مخفضة من الدراجات، ولكن أجهزة محصولية من نوع " كتل " أكبر من حيث الطاقة.

سوء إدارة شؤون الموظفين وباندويث

(أ) إذا تغيرت وتيرة الاحترار المهيمن للمبنى نتيجة للتعديلات الهيكلية، أو الكتلة المضافة، أو حتى التحولات الموسمية في درجة الحرارة - يمكن أن يُلغى هذا الحصاد ويمكن أن ينخفض ناتجه حسب الحجم.

التركيب والتكامل

ويتطلب إضافة المحصولين إلى جهاز سحابي قائم وجود وضعا دقيقا للتعرض إلى أقصى حد للتهتز، وقد يكون للأماكن القريبة من قلب المبنى حد أدنى من الحركة، بينما تكون الطوابق العليا والحواجز المزروعة أكثر، ويجب أن يكون توجه الحصاد متسقا مع الاتجاه السائد في اليقظة، ويجب التخطيط للتكامل في نظم البناء الكهربائية ونظم البيانات لتجنب التداخل مع الهياكل الأساسية القائمة.

دال - القابلية للاستمرار والقابلية للاعتماد

وأي جزء متحرك أو عنصر مجهد داخل محصول ما مرهون بالثقوب، ويمكن لأجهزة التجميل أن تنهار بعد بلايين الدورات إن لم تكن مصممة على النحو الصحيح، فتعليقات الربيع المغناطيسية يمكن أن تتحلل، والدوائر الحرارية، والرطوبة، والتعرض للأشعة فوق البنفسجية في المبنى تزيد من الضغط على الأجهزة، وتتسارع اختبارات الحياة واختتام الأعشاب، أمر حاسم قبل نشرها في هيكل حقيقي.

توجيهات البحوث والتكنولوجيات الناشئة

البحث النشط يدفع حدود ما يمكن أن يحققه المحصولون من الاهتزاز، مع عدة طرق واعدة لتطبيقات السحاب.

المهاجرون والمهاجرون المرنة

يمكن للغطاءات المرنة، والنانووبات الكربونية، وبوليمرات الفطائر (مثل الفولفاد) أن تكون محصولات مرنة ومرنة يمكن ربطها بالأسطح المحفورة أو حتى رسمها على عناصر هيكلية، وقد أظهر فريق في جامعة ويسكنسن - ماديسون محصولاً مرناً من الفلول المتعددة الكلور ينتج 10 ميكرووترات/جيم2 من احتمالات الفتح المنخفضة.

هجينة هاربسترز

ويمكن أن يؤدي الجمع بين آليتين أو أكثر من آليات التحويل في جهاز واحد إلى تحسين الكفاءة العامة، مثلاً، يمكن لهجينة من الفطائر الفائقة الكهرمغنطية أن تجني الطاقة من كل من عنصري التردد العالي والتردد المنخفض في آن واحد.() وقد بني الباحثون الصينيون نموذجاً أولياً سلّم 25 متراً من ذبذبات البناء العادية - مع طاقة رمز استشعار لاسلكي() بصورة مستمرة().

الاستخبارات الفنية لتعظيم السلطة

ويمكن أن تتنبأ خوارزميات التعلم الماكنة بأنماط حركة البناء وتكييف بارامترات الحصاد في الوقت الحقيقي، ويمكن لنظام يعرف التوقعات المتعلقة بالرياح، والوقت الذي يستغرقه اليوم، وتاريخ الاهتزاز الأخير أن يعدل دورة عمله أو يلتحم بنشاط في مجال ضبط الطاقة إلى أقصى حد.

الطاقة - الحفارة

وربما يكون المفهوم الأكثر جدوى هو دمج الجسيمات النانوية المتطورة في المصفوفة الملموسة مباشرة، فمع ازدهار المبنى نفسه، يولد الخرسانة ذاتها قدرا صغيرا من الطاقة، وبينما تكون كثافة الطاقة منخفضة جدا في الوقت الراهن بالنسبة للمجسات العملية، فإن التقدم في الهندسة النانوية يمكن أن يؤدي يوما ما إلى تحويل الهيكل بأكمله إلى محصول طاقة ضخم.

المشاريع الرائدة التطبيقية العالمية الحقيقية

ويجري بالفعل اختبار أجهزة الاستشعار ذات القدرة العالية في المباني ذات المناطق المرتفعة والبنى التحتية الكبيرة، وقد استخدم جهاز الاستشعار من نوع تايبيي 101، المشهور في بطولة 660 طناً من الرابط الكتلي المجهز بالأجهزة المحمولة، كاختبار لمنتجي المحاصيل الكهرومغناطيسية الموضعين بالقرب من خطوط السكك الحديدية التي تستخدمها أجهزة الباحثون التي تقاس بما يصل إلى 50 متراً من حركة الدرامي خلال فترة ما يزيد على 101.

وفي اليابان، قامت شركة توكايو لالاند بتركيب محصولين للإهتزازات على السطح الخارجي لمبنى ثلاثين ستاريو في عام 2019، وكانت أجهزة الاستشعار التي تعمل بالكهرباء التي ترصد استجابة المبنى للزلازل، وبعد ثلاث سنوات، كانت جميع المحصولين لا تزال تعمل، وكانت نوعية البيانات مطابقة لأجهزة الاستشعار التي تعمل بالبطارية.

وقد أعربت إدارة برج خليفة عن اهتمامها بجني الاهتزاز كجزء من دفعة نحو تشغيل الطاقة الصافية - صفر، وفي حين لم يعلن عن أي نشر عام، تشير الدراسات الداخلية إلى أن وضع المحصولين على الطوابق العليا والحوضة العليا قد يولد عدة واط من الطاقة - مع ذلك لإدارة نظام فرعي صغير للإدارة العامة للمواد الكيميائية.

مُنذُوبٌ بقوّةٍ ذاتيةٍ، (سكايسكرابر)

والرؤية النهائية هي محرقة ناطقة ترصد نفسها دون أي مدخلات خارجية في مجال الطاقة، وكل جهاز استشعار، من مقياسات السلالة على الأعمدة إلى مقياس التسارع على السطح، سيُستخدم بكامل طاقته من خلال تحركات المبنى الخاصة، وستُنقل البيانات دون تليفزيون إلى جهاز استشعار مركزي يقيّم باستمرار الصحة الهيكلية والجداول المتوقعة.

وهذه الرؤية ليست خيال علمي، فمع التقدم السريع في الأجهزة الإلكترونية ذات الطاقة المنخفضة، والمواد التحويلية الفعالة، وإدارة الطاقة الذكية، تسقط القطع التقنية، أما التحديات المتبقية فهي تخفض تكلفة أجهزة الاستشعار الواحدة، وتخضع للاستشعار التنظيمي، وتواجه المحصولين رموزاً حريقية وزلانية، حيث لا يزال السكان الحضريون يركزون في المباني التي تسودها دائماً، وهي حالة المباني الأكثر قوة في الغد.