الأثر البيئي للبعثات التقليدية

وتُعدّ هذه المناظير التي تعمل في البطاريات مُنفَّذة في البيئات الهندسية، وتوفر قياسات حرجة في خطوط الإنتاج، واللوجستيات، والعمليات الميدانية، غير أن الاعتماد الواسع النطاق على البطاريات (الممكنة التصرف) الأساسية، مما يُلقي عبئاً بيئياً كبيراً، إذ تُفرَد في كل عام مليارات البطاريات ذات الاستخدام الواحد، وتحتوي الكثير من المعادن الثقيلة مثل الكادميوم والزيوم والزئبق والقيادة.

ويكشف تحليل دورة الحياة لجهاز نموذجي يعمل بالبطارية أن أكبر أثر بيئي يحدث خلال مراحل استخراج المواد الخام والتخلص منها، بل إن أكثر خلايا الألكلين كفاءة تستهلك ما يقرب من 50 مرة وزنها في الوقود الأحفوري أثناء الإنتاج، ويمكن للمهندسين، من خلال التحول إلى مصادر الطاقة المتجددة أو المعاد تدويرها، أن يقللوا هذه العوامل الخارجية بشكل كبير، ويكمن التحدي في الحفاظ على الموثوقية والوقت الأعلى الذي تتطلبه التطبيقات الصناعية مع الأخذ بتكنولوجيات الخضراء.

المتطلبات الرئيسية لحلول الطاقة الملائمة للبيئة

ويجب أن يفي أي مصدر بديل للطاقة من أجل النظائر التي تعمل بالبطارية بعدة معايير غير قابلة للتفاوض: استمرار إنتاج الفولط، وارتفاع كثافة الطاقة، والحياة التشغيلية الطويلة، والقدرة على العمل في بيئات قاسية (التطرف المؤقت، والهزاء، والرطوبة)، بالإضافة إلى أن الحل ينبغي أن يقلل إلى أدنى حد من النفايات وييسر إعادة تدوير النفايات في نهاية العمر، وفيما يلي دراسة التكنولوجيات التي تحقق أفضل توازن بين هذه المطالب والمسؤولية الإيكولوجية.

تكنولوجيات البطاريات القابلة للشحن

ليثيوم - إيون وليثيوم

(ب) أصبحت البطاريات التي يمكن شحنها من الليثيوم (ليون) المعيار الذي تستخدمه الإلكترونيات المحمولة، وتعتمد بشكل متزايد في المعارض الصناعية.() وتُقدم خلايا الليوني الحديثة كثافة عالية للطاقة (250-300 و/كغ) ويمكنها تحمل مئات دورات التفريغ، وتخفض بشدة النفايات مقارنة بالخلايا ذات الاستخدام الواحد.

البطاريات التابعة للدولة الصلبة

وفي الأفق هي بطاريات صلبة الدول، تحل محل الكهروليت السائل بسيرام صلب أو بمفصل متعدد المراحيض، وهذه الوعود هي أيضاً كثافة طاقة أعلى (400+ Wh/kg)، وتشحن أسرع، وتحسن خطر السلامة في المجرى الحراري، ورغم أن هذه المنتجات التجارية المبكرة لا تزال باهظة الثمن بالنسبة للانتشار الواسع النطاق، فإنها تظهر في أجهزة الاستشعار الصناعية الكيماوية.

نخيل - ميتال هايدرايد (نيم)

وبالنسبة للتطبيقات التي تكون فيها حساسية التكلفة هيدرايدر النيكل خيار قابل للتكرار، وتتوفر خلايا النيمهيدز على نطاق واسع، وتحتوي على مواد أقل سمية من النيكل - كاديوم (NiCd)، وتوفر حياة جيدة (500-000 1 دورة)، وتكون كثافة الطاقة فيها (60-120 و/كغ) أقل من الخلايا التي تستخدم فيها مضادات الطاقة الإيكولوجية المنخفضة.

Energy Harvesting for Counters

ولعل النهج الأكثر تحولا هو القضاء على البطاريات كليا عن طريق استخدام الطاقة الكهرمائية، إذ أن تكنولوجيات جمع الطاقة تلتقط كميات صغيرة من الطاقة من البيئة المحيطة إلى تشغيل الأجهزة مباشرة أو شحن خلية تخزين صغيرة، وبالنسبة للوسائل التي تعمل بالبطارية، فإن عدة طرق مناسبة بصفة خاصة:

افلطية (سلا)

Indoor solar cells, such as ]dye-sensitized solar cells (DSSC) or little-film amorphous silicon panels, can convert artificial light into electricity. Even at typical office or warehouse illumination levels (200-500 lux), a small panel can generate tens of microwats.

Piezoelectric Harvesting

ويمكن أن تستفيد المفاعلات التي يتم تركيبها على أجهزة الاستهزاء، أو أحزمة النقل، أو بالقرب من محركات المركبات من مولدات كهربائية فائقة الفطائر، وتستخدم هذه الأجهزة البلورات أو الخزف التي تنتج فولتاجاً عندما يتم التشديد عليها آلياً، ويمكن لمجمع واحد من أجهزة جمع الاهتزاز أن ينتج 1-10 ميغاواط من الطاقة الكهربائية ليزيد جهازاً أو ينقل إشارة لاسلكية.

Thermoelectric Harvesting

وحيثما توجد درجات حرارة (مثلاً بين المسكن الحركي الساخن والهواء المحيط)، تستغل المولدات الكهربائية الحرارية تأثير سيبيك لإنتاج الكهرباء، وتُعد وحدات التخصيب الحديثة مدمجة ويمكن أن تُوصل إلى عدة مليوتات من فرق يتراوح بين 10 و20 درجة مئوية، مما يجعلها مثالية للمضادات في نظم HVAC أو محركات أو منشآت ذات طابع شمسي.

Kinetic and RF Harvesting

وبالنسبة للدوائر المحمولة أو المحملة يدويا، يجري تطوير محصولين حركيين يحولون حركة (الركوب، مناولة الأدوات) إلى الكهرباء، كما أن جني الطاقة المتكررة من الإشارات اللاسلكية - فاي أو الخلوية آخذ في الظهور، وإن كان ذلك مقصورا على طاقة منخفضة جدا (مدى الازدحام) ويمكن لهذه التكنولوجيات أن تكمل البطاريات القابلة للشحن، وأن تمتد فترات ما بين دورات الشحن.

النظم الهجينة وإدارة الطاقة الذكية

ولا يوجد مصدر طاقة واحد ملائم للبيئة مثالي لكل حالة تشغيلية، حيث تستخدم أقوي التصميمات نهجاً هجيناً: محصول الطاقة الأولية (مثلاً، الألواح الشمسية) مقترن بوحدة تخزين عازلة صغيرة (مفتاح الرؤوس أو خلية الليثيوم).

ويستحق المشرفون ذكرا خاصا، إذ يقدمون حياة عالية للغاية )٠٠٠ ٥٠٠ + دورة(، وشحن سريع/تسديد، ويعملون على مدى درجات حرارة واسعة )٤٠ درجة مئوية إلى ٨٥ درجة مئوية(. وعندما يقترن ذلك ببطارية صغيرة قابلة للشحن أو خلية للوقود، فإن المكثفات الخارقة تعالج الطلبات العالية السرعة )مثلا، المضادات الآلية أو الإرسالات اللاسلكية( بينما يؤدي نظام البطاريات إلى تحسين أوجه التآزر بين الدول.

التصميم من أجل الاستدامة: المواد ونهاية الحياة

بالإضافة إلى مصدر الطاقة نفسه، يجب أن يعزز تصميم المُعد إعادة التدوير ويخفض الطاقة المتجسدة، وينبغي للمهندسين أن يرتبوا أولويات الإلكترونيات ذات الطاقة المنخفضة مثل مُضاد الطاقة المُعادِلة للطاقة المُعادِلة، التي تستخدم في إطار مُعدات صغيرة، والتي تُستبدل بطاقات محصول الطاقة غير محدودة، أو بلوثة

كما أن استخدام المواد القابلة لإعادة التدوير أو للتحلل الأحيائي في المساكن ومجالس الدوائر يزيد من التأثير البيئي. ] البلاستيك المستند إلى مادة Bio (PLA, PHA) والعناصر المعاد تدويرها من الألمنيوم تكتسبان آثاراً في مسدودات الأجهزة الصناعية.() وينبغي أن تشير العلامات والعلامات إلى التركيبة المادية لتيسير عمليات الفرز في مجموعات المنتجات النهائية.

دراسات الحالات: مكافحة ملائمة للبيئة في الممارسة العملية

وقد اعتمدت عدة قطاعات هندسية حلولاً مستدامة للطاقة، ففي السوقيات، ] مقابر الطرود ذات الطاقة الصلبة التي تم تركيبها في سقف المستودعات تستخدم الضوء الملموس وكبيرة الحجم لتتبع المخزون مع عدم وجود نفايات بطارية، وفي خطوط التجميع الآلية، ]

وتقوم شبكات الرصد البيئي بنشر آلاف من المضادات التي تعمل بالبطارية لقياس نوعية الهواء أو تدفق المياه، ومن خلال إدماج محصولي الطاقة الحرارية ] التي تولدها الحرارة بين الأجهزة الإلكترونية والهواء المحيط، تعمل بعض المحطات باستمرار لمدة تزيد على خمس سنوات دون استبدال أي بطارية، وتدل هذه الأمثلة على أن الطاقة الملائمة للبيئة ليست مفهوماً مستقبلياً وإنما خياراً قابلاً للبقاء في الوقت الحاضر.

المستقبل توجيهات وجبهة البحوث

The next decade will bring further innovations. Flexible and printed batteries] could be embedded directly into counter enclosures, conforming to complex shapes and providing power with minimal added weight. ]Biofuel cells that generate electricity from organic compounds (eg explored waste, gluse).

For a deep technical review of energy harvesting for industrial sensors, the IEE paper on "Energy Harvesting for Wireless Sensor Networks" provides an authoritative overview. The ]U.S. Department of Energy ' s resource on sustainable battery manufacturing offers guidance on materials and

خاتمة

إن إيجاد حلول ملائمة للبيئة لتوليد الطاقة للمناضير التي تعمل بالبطارية هو ضرورة بيئية وميزة تنافسية، إذ إن اعتماد الكيمياء القابلة للشحن، وتكنولوجيات جمع الطاقة، وإدارة الطاقة الذكية، ومبادئ التصميم المستدامة، يمكن للأفرقة الهندسية أن تقلل بدرجة كبيرة من النفايات، وتخفض تكاليف التشغيل، وتتفق مع الأهداف العالمية لتطهير الكربون، وتصبح التكنولوجيات ناضجة، وتتضح الفوائد، والتحول جار بالفعل.