ويتسارع الانتقال العالمي إلى الطاقة المتجددة، ويقوده ضرورات المناخ، وأطر السياسات، وانخفاض تكاليف التكنولوجيات النظيفة، ونظرا لأن مزارع الرياح، والصفائف الشمسية، ونظم تخزين البطاريات، ومرافق الهيدروجين الخضراء، فإن هناك حاجة إلى قوة عاملة هندسية متخصصة لحل التحديات التي تواجه المواد الموزعة في قلب هذه النظم، ويزداد أهمية مهندسي المواد الذين يصممون المواد المستخدمة في كل عنصر ويحققون الحد الأمثل من التعقيدات التقنية في الطاقة المتجددة، مما يعكس زيادة كفاءة الطاقة المتجددة.

دور مهندسي المواد في الطاقة المتجددة

ويجمع مهندسو المواد الفجوة بين العلوم الأساسية وتصميم العناصر العملية، ففي الطاقة المتجددة، يختارون المواد اللازمة للاختبار ويطورونها ويختبرونها لتحمل ظروف التشغيل القاسية - مثل التعرض للأشعة فوق البنفسجية، ودرجة الحرارة القصوى، والإجهاد الميكانيكي، والبيئات التآكلية - مع زيادة الأداء إلى الحد الأدنى وتقليل التكلفة، ويؤثر عملهم تأثيرا مباشرا على كفاءة الخلايا الشمسية، وعمر نصلات توربين الرياح، وكثافة الطاقة.

Solar Photovoltaics

أما كفاءة الخلايا الشمسية وتكاليفها فهي تحددها المواد المستخدمة، ويظل السيليكون الكريستالين هو المادة الغالبة، ولكن المهندسين يضغطون حدوده من خلال النسيج السطحي المتقدم، وطبقات التبريد، والتماس الميثال، وفي الوقت نفسه، فإن تكنولوجيات الرشاقة مثل التلويث الكهرميوم (CdTe) وسادس فلوريد الكبريت (CIGS) توفر مسارات بديلة للوزن.

ويند توربين بلاس وباورز

(أ) أن تكون الوصلات الريحية الحديثة أكثر من 100 متر في الطول، ويجب أن تحمل ملايين من دورات التهاب على مدى 20 سنة؛ كما أن مهندسي المواد يطورون فيتامينات مركبة - تكون عادةً أكاذيب زجاجية أو ألياف الكربون مثبتة في راتنجات النسيج أو البوليستر - ذات وزن خفيف وقوي؛ كما يصممون تركيبات وقائية لمقاومة تآكل الأمطار، والتدهور الهواء، وتراكم الأيس كريم.

تخزين الطاقة - البطاريات وما بعدها

كما أن كهربة النقل والتخزين على نطاق الشبكة تتطلب بطاريات ذات كثافة طاقة أعلى، وشحن أسرع، وطول مدة الحياة، وتحسين السلامة، وتعتمد تكنولوجيا الليثيوم على مهندسي المواد لتحقيق الحد الأمثل (مثلاً، شركة NMC، شركة LFP، شركة LCO)، وأجهزة ميكانيكية (الغرافيت، ومركبات السليكون) وأجهزة كهربائية، وأجهزة فصلية

خلايا الهيدروجين والوقود

(ب) إن إنتاج الهيدروجين الأخضر بواسطة الكهرباء واستخدامه في خلايا الوقود يوفر مساراً لتطهير الصناعة الثقيلة والشحن والطيران، ويتوقف أداء الخيوط والوقود بدرجة كبيرة على المواد: خامات التبريد (مثل النافيون) والعاملات الحفازة في الفلزات ذات الفولطين، واللوحات الثنائية القطبية، وطبقات انتشار الغازات.

التحديات الرئيسية التي يواجهها المهندسون المعنيون بالمواد

وتواجه نظم الطاقة المتجددة قيودا مادية متأصلة، ويعمل المهندسون على التغلب على هذه العقبات لتمكين نشر التكنولوجيا على نطاقي جيغاوات وتيراوات.

حدود الكفاءة

وبالنسبة للخلايا الشمسية، يحدد الحد الأقصى للأحذية الشوكلي - كويسر كحد أقصى نظري للكفاءة بالنسبة لأجهزة التقاطع الواحد، ويجمع مهندسو المواد بين عدة مقاطع (خلايا) أو يستخدموا مواد جديدة مثل البروفسكيات وثبات الكم فوق هذا الحد، وفي الطاقة الريحية، يؤثر تصميم السيف الهوائي والمواد الهيكلية على كمية الطاقة الكهرمائية التي يمكن استخلاصها.

دال - مدة الخدمة والتحلل

وتتدهور الألواح الشمسية بسبب التجاوزات في الرطوبة، والتعرض للأشعة فوق البنفسجية، والتقلب الحراري، وتعاني شتلات التربينات الشتوية من التآكل في المراحل الرئيسية والكسر في الضباب، وتحلل الكتائب من خلال تغيرات الحجم وردود فعل جانبية تشكل فترات متقطعة بين الكهرباء الصلبة، كما يقوم مهندسو المواد بتطوير المعاطف الواقية، وتعددات المتقدمة، وتعددية التوليد.

التكلفة والقابلية للتسويق

وتكلف مواد متقدمة كثيرة، مثل السيليكون العالي النقاء، أو الألياف الكربونية، أو المحفزات البلاستيكية، ويعمل المهندسون على استبدال المواد الوفيرة والمنخفضة التكلفة (مثل الحديد والسيلكون والألومنيوم) وعلى تطوير عمليات تصنيع تقلل من استهلاك النفايات والطاقة، وعلى سبيل المثال، انخفضت تكلفة البطاريات السائلة - الأيونات بما يزيد على 80 في المائة في التصميم الهندسي للخلايا في العقد الماضي، وذلك في جزء كبير من المواد.

الاستدامة ونهاية الحياة

وتُقصد الطاقة المتجددة أن تكون نظيفة، ولكن يمكن أن تكون للمواد المستخدمة آثارا بيئية كبيرة، وتثير العناصر الأرضية السريعة للمغناطيسات الدائمة في توربينات الرياح (النفود، والبطاريات) شواغل بشأن تركيز سلسلة التعدين والإمدادات، ومن المتوقع أن تصل نفايات الأفرقة الشمسية إلى ملايين الأطنان بحلول منتصف القرن.

القوات الدافعة وراء الطلب المتزايد

وهناك اتجاهات عديدة تقاربت من أجل إيجاد طلب مرتفع مستمر على مهندسي المواد في قطاع الطاقة المتجددة.

السياسات والاستثمار العالميان

وقد التزمت البلدان التي تمثل أكثر من 90 في المائة من الناتج المحلي الإجمالي العالمي بأهداف صافي الانبعاثات بحلول عام 2050، كما أن مشاريع الوكالة الدولية للطاقة التي يجب أن تضاعف الطاقة المتجددة ثلاث مرات بحلول عام 2030 لكي تظل على المسار الصحيح، مما أدى إلى استثمارات ضخمة: قانون الولايات المتحدة للحد من التضخم، والصف الأخضر للاتحاد الأوروبي، والطاقة المتجددة في الصين، وهي تدفع جميع الأموال المخصصة لتصميم الطاقة النظيفة والمكونات الهندسية ذات الصلة بالتوسع في المواد.

الاستحقاق التكنولوجي والتنويع

وتعتمد النظم المتجددة المبكرة على المواد الأساسية؛ والآن يتنوع الميدان إلى تكنولوجيات متقدمة تتطلب مواد مصممة خصيصا: منابر الرياح البحرية العائمة، وخلايا التوابل بين المحيطين، والبطاريات ذات الولاية الصلبة، والكهرباء، ونظم احتجاز الكربون، وكل تكنولوجيا جديدة تطرح تحديات فريدة في المواد، ويتضمن قانون البنية التحتية الثنائية في الولايات المتحدة تمويلا مخصصا لتجهيز المواد الحساسة وصنع البطاريات، مما يخلق طلبا مباشرا على المواد الهندسية.

أمن سلسلة الإمدادات

وقد دفعت مواطن الضعف والاختناقات في مجال الإمداد بالمعادن الحرجة (الليثيوم والكوبالت والأرض النادرة والغرافيت العالية النقاء) الحكومات والشركات إلى الاستثمار في التجهيز المحلي وإعادة التدوير والاستبدال.() ويُعد مهندسو المواد محورياً لهذه الجهود: فهم يطورون كيميائيات بديلة (مثلاً، فهود LFP التي تتجنب الكوبالت)، ويحسنون عمليات الاستعادة والتجديد.

طلب الشركات والمستهلكين من أجل الاستدامة

وتخضع الشركات للضغط للإبلاغ عن آثار الكربون وخفضها، وكثير منها يشتري الطاقة المتجددة مباشرة أو يستثمر في توليد الطاقة في الموقع، مما يخلق جذباً سوقياً من أجل معدات متجدّدة أكثر كفاءة وأطول أجلاً، ويساعد مهندسو المواد المصنعين على تقديم منتجات تلبي ضمانات الاستدامة وتقديرات الكفاءة، وتقليص تكلفة الطاقة المتردية، وتحسين العائدات على الاستثمار.

ابتكارات المواد الناشئة التي تشكل الميدان

وتنتج بحوث المواد مرشحين منفذين يمكن أن يغيروا نظم الطاقة المتجددة:

  • Perovskite-Silicon Tandem Cells]: عن طريق تركيب طبقة من البروفسكيت على رأس خلية من السيليكون، تحققت أوجه الكفاءة التي تزيد على 30 في المائة في النماذج الأولية للمختبرات.
  • Biobased and Recyclable Composites: Wind turbine blades made from flax or recycled carbon fiber, and thermoset spec systems that can be chemically depolymerized, offer paths to a circular wind energy economy.
  • Solid-State Electrolytes: Ceramics, sulfides, and polymers that replace liquid electrolytes promise safe, higher-energy-density batteries. Materials engineers optimize ionic conductivity andميكانيكي integrity.
  • Advanced Coatings and Self-Healing Polymers]: Protective coatings that prevent ice formation on blades, or self-healing encapsulants that repair microcracks in solar panels, extend system lifespan in harsh environments.
  • Nanostructured Catalysts: Platinum group metal-free incentives for fuel cells and electrolyzers, using transition metal nitrides, sulfides, or single-atom sites, reduce cost while maintaining activity.

ويتطلب الانتقال من المظاهرات على نطاق المختبرات إلى الصناعة الجماعية مهندسين للمواد يفهمون زيادة العمليات ومراقبة الجودة ونمذجة التكاليف.

التوقعات والمهارات الوظيفية في الطلب

ويُعد مكتب إحصاءات العمل بالولايات المتحدة استخدام مهندسي المواد لزيادة 7 في المائة من عام 2023 إلى عام 2033، أسرع من المتوسط بالنسبة لجميع المهن، غير أن هذا الرقم قد يقل الطلب على الطاقة المتجددة تحديدا، حيث يعمل العديد من مهندسي المواد في قطاعات مثل الفضاء الجوي أو الإلكترونيات أو التصنيع العام، وتعمل الشركات المتخصصة في الطاقة الشمسية والريحية والبطارية وتكنولوجيا الهيدروجين بنشاط على توظيف مهندسين للمواد ذات الخبرة في مجال التعددية المركبة.

وتشمل المهارات الرئيسية التي يسعى إليها أرباب العمل ما يلي:

  • الكفاءة في أدوات توصيف المواد (النظام المنسق الخاص، والشعبة، والرابطة الدولية للإحصاء، والرابطة الدولية للأخشاب، وإدارة الشؤون الإنسانية، وما إلى ذلك)
  • الخبرة في مجال علوم المواد الحاسوبية (إدارة الدعم الميداني، والتعلم الآلي لاكتشاف المواد)
  • المعرفة بعمليات التصنيع (تجهيز النتائج، طبل الحقن، التلعثم، الصبغ)
  • فهم تحليل الفشل واختبار الموثوقية وتقييم دورة الحياة
  • (ج) التطابق مع معايير الجودة (منظمة رصد الأصول الدولية، وآلية رصد الموارد المالية) والمتطلبات التنظيمية (مثل إصدار شهادات اعتماد أسعار الصرف في البطاريات)
  • مهارات اتصال قوية متعددة التخصصات للتعاون مع مهندسين كهربائيين وميكانيكيين وكيميائيين

وتُعد الدرجات المتقدمة (درجة الماجستير أو درجة الدكتوراه) شائعة بالنسبة لأدوار شعبة التنمية المستدامة، ولكن العديد من الوظائف على مستوى الدخول في هندسة العمليات، أو ضمان الجودة، أو الاختبارات مفتوحة لخريجي العزوبية الذين لديهم تدريبات داخلية ذات صلة أو خبرة في المشاريع.

كيفية إعداد وظيفة في الهندسة الخاصة بمواد الطاقة المتجددة

وينبغي لمهندسي المواد التطلعية أن يبنيوا أساسا قويا في المبادئ الأساسية: الديناميكا الحرارية، وعلم الأحياء، ورسم الخرائط، والسلوك الميكانيكي، والخصائص الإلكترونية، ويمكن تصميم برامج دراسية متخصصة في البوليمرات، والسراميات، وشبه الموصلات، أو الكيمياء الكهروكيميائية، وفقا لتطبيقات الطاقة المتجددة، ولا تقدر الخبرة العملية على اليدين:

  • المشاركة في مختبرات البحوث الجامعية العاملة في الخلايا الشمسية أو البطاريات أو المركبات
  • Seek internships with renewable energy manufacturers (e.g., Vestas, First Solar, Tesla, Natron Energy).
  • تطوير المهارات في مجال النماذج الحاسوبية أو تحليل البيانات، حيث تتزايد المعلوماتية للمواد بسرعة.
  • حضور مؤتمرات مثل اجتماع فول لجمعية بحوث المواد أو مؤتمر أخصائيي العلوم التقنية التابع للشبكة الدولية للتعلم عن البحوث والتواصل مع المهنيين العاملين في الصناعة.
  • (ه) متابعة التصديقات في المعايير ذات الصلة (مثل دورات توصيف المواد التي تنظمها الرابطة الدولية لصناعة المواد الكيميائية) أو في إدارة المشاريع لأغراض الهندسة.

وقد أنشأت جامعات عديدة مراكز متعددة التخصصات لمواد الطاقة المتجددة، مثل مختبر بحوث المواد التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، ومعهد سانتا باربرا لكفاءة الطاقة التابع لجامعة كاليفورنيا، أو فريق كولورادو المعني بمواد الطاقة المتجددة التابع لمعهد كولورادو، وينبغي للطلاب أيضا أن يشاهدوا فرص التمويل من خلال برنامج المواد المتقدمة التابع للمؤسسة الوطنية للعلوم من أجل الطاقة المتجددة.

خاتمة

إن نمو قطاع الطاقة المتجددة ليس اتجاها مؤقتا بل تحولا هيكليا في نظم الطاقة العالمية، إذ أن مهندسي المواد أساسيين لكل تكنولوجيا رئيسية في هذا التحول - من مواسير السيليكون في الألواح الشمسية إلى الطبقات الحفازة في خلايا الوقود الهيدروجينية، حيث أن أهداف الأداء تصبح أكثر عدوانية وتكثيف الضغوط من حيث التكلفة، فإن الطلب على المهندسين الذين يمكنهم تطوير واختبار المواد الجديدة وحجمها لن يزيد مباشرة أمام من يدخلون الميدان.