הביקוש הגדל למהנדסי חומרים בתחום האנרגיה המתחדשת

המעבר הגלובלי לאנרגיה מתחדשת הוא מאיץ, מונע על ידי דרישות אקלים, מסגרות מדיניות, וירידה עלויות עבור טכנולוגיות נקיות. כמו חוות רוח, מערכות סולריות, מערכות אחסון סוללות, ומתקני מימן ירוק להרחיב, כוח עבודה הנדסי מיוחד נדרש כדי לפתור את האתגרים בלב של מערכות אלה.חומרים, אשר מעצבים וייעל את החומרים המשמשים בכל רכיב, הם קריטיים יותר להפוך אנרגיה מתחדשת, יעילה יותר, יציב, ומשקף את המורכבות של אנרגיה מבוזרת, משינוי טבעי, מאנרגיה טכנית, מאנרגיה מתקדמת.

תפקיד מהנדסי חומרים באנרגיה מתחדשת

מהנדסי חומרים מגשרים על הפער בין מדע בסיסי לבין עיצוב רכיב מעשי.באנרגיה מתחדשת, הם בוחרים, מפתחים ובדיקת חומרים לעמוד בתנאי הפעלה קשים - כגון חשיפה UV, קיצוניות טמפרטורה, מתח מכני, וסביבות קורוזיות - בעוד למקסם את הביצועים ואת מיני עלות.העבודה שלהם משפיעה ישירות על יעילותם של תאים סולאריים, תוחלת החיים של להבים רוח, צפיפות של סוללות, ואת רמות הבטיחות של תאים.

צילום: Solar Photovoltaics

יעילות תאים סולריים והעלות נקבעות בעיקר על ידי החומרים המשמשים את סיליקון קריסטל נשאר החומר הדומיננטי, אבל מהנדסים דוחקים את הגבולות שלה באמצעות טקסט משטח מתקדם, שכבות מעבר, ומגע מתכתליזציה.בינתיים, טכנולוגיות דקות כגון קדמיום אומרות תאים (CdTe) ומטרות נחושת של אנרגיה רבודה (CI) מציעים חלופות עבור מסלולים קלים, גמישים ALC) עם חומרים אלה, אשר הם חומרים מסוכנים של מחזורית (CLTFite) ו-Fite) עם חומרים אלה הם חומרים מתקדמים, אשר הם חומרים מתקדמים, אשר הם חומרים מתקדמים, אשר הם חומרים מתקדמים, אשר הם חומרים מתקדמים, אשר הם חומרים מתקדמים, אשר הם חומרים מתקדמים של פעילות גופנית, אשר הם חומרים מתקדמים של פעילות גופנית, אשר הם חומרים מתקדמים, אשר הם חומרים מתקדמים של חומרים מתקדמים, אשר הם חומרים מתקדמים של פעילות גופנית, אשר הם חומרים מתקדמים של פעילות גופנית, אשר הם חומרים מתקדמים (D.

Wind Turbine Blades and Towers

[הלהבות של טורבינות הרוח המודרנית] יכולות לעלות על 100 מטרים אורך וחייבות לסבול מיליוני מחזורי עייפות מעל 20+ שנים חיים.מהנדסים מפתחים כימות מורכבות – בדרך כלל זכוכית או סיבים פחמן המוטבעים ב-epoxy או בפוליסטר חוזר - שהם גם קלים וחזקים.הם גם ציפויי עיצוב מוגנים כדי לעמוד בפני שחיקה של אנרגיה, השפלה וקרח, תלויים במבנים על פלדה גבוהה או בטון מתקדם יותר ויותר ל-Ferto-Ferto-Reducerto-to-to-to-ofreine (Ralrine) LT2, כדי לחקור חומרים מ-Reveto-Reducertortortorto-to-to-tortortorto-tortortortortortortorto-to-to-torto-to-to-to-to-of-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-torine (R.

אחסון אנרגיה - סוללות ומעבר

(החשמל של תחבורה ואבטחת שטח רשת דורש סוללות עם צפיפות אנרגיה גבוהה יותר, טעינה מהירה יותר, חיי מחזור ארוכים יותר, ושיפור בטיחות.ליתיום-יון טכנולוגיה מסתמכת על חומרים לייעל את קטודות (למשל, NMC, LFP, LCO), aodes (graphite, סיליקון אנרגיה), אלקטרוליטים ו-Sparators.

הידרוגן ודלק תאים

מימן ירוק המיוצר באמצעות אלקטרוליזה ושימוש בתאי דלק מציע מסלול עבור decarbonizing תעשייה כבדה, משלוח ותעופה. Electrolyzer ו ביצועי תא דלק תלויים בחומרים: Proton Exchange membranes (למשל, Nafion), זרזי מתכת בקבוצת פלטינה, לוחות דו קוטביים, ו- Gasffusion אנרגיה. מהנדסים לעבוד כדי להפחית את ההטעינה, לפתח membraableed כמו אלקטרו-Flasticials (Creicials) עבור סוללות פעילות סגסוגת תאים מיוחדים של דלק קרמיקה (Creicial) ו-Fros).

אתגרים מרכזיים שמהנדסי חומרים מטפלים

מערכות אנרגיה מתחדשת מתמודדות עם מגבלות חומריות טבועות.מהנדסים עובדים כדי להתגבר על המכשולים האלה כדי לאפשר פריסה טכנולוגית בקנה מידה ג'יגהאט וטרה-וואט.

מגבלות יעילות

עבור תאים סולאריים, ה- Shockley-Queisser מגביל את היעילות המקסימלית התיאורטית למכשירי צומת יחיד.חומרים משלבים צומת מרובים (תאים אטומים) או משתמשים בחומרים חדשים כגון perovskites ו- קוונטיים dots כדי להתעלות על הגבול הזה. אנרגיית רוח, עיצוב להב אווירודינמי וחומרים מבניים משפיעים על כמה אנרגיה קינטית ניתן לתפוס.

יכולת ודה-דרגציה

לוחות סולאריים מכים עקב לחות באגרסיביות, חשיפה UV, ורכיבה תרמית של טורבינות הרוח סובלים שחיקה חדשנית ועייפות מפצירה. סוללת אלקטרודות מתפוגגת באמצעות שינויים בנפח ותופעות לוואי שמרכיבים מתווכים מוצקים אלקטרוליטיים.מהנדסים מפתחים ציפויים מגן, מורדים מתקדמים, ופולימרים עצמיים כדי להרחיב את החיים התפעוליים.

עלויות ו Scalability

חומרים מתקדמים רבים, כגון סיליקון טוהר גבוה, סיבים פחמן, או זרזי פלטינה, יקרים. מהנדסים לעבוד להחליף שפע, חומרים זולים (כמו ברזל, סיליקון, אלומיניום) ולפתח תהליכי ייצור אשר להפחית את צריכת הפסולת והאנרגיה. לדוגמה, העלות של סוללות ליתיום-יון-יון ירד על ידי יותר מ -80% בעשור האחרון, מונעים חלק גדול על ידי חומרים הנדסיים בתכנון אלקטרודה ותא יעיל יותר (ת חומרים מתקדמים) למערכות ניהוליות (אולפניות).

אחריות וסוף החיים

אנרגיה מתחדשת נועדה להיות נקייה, אבל החומרים המשמשים יכולים להיות טביעת רגל סביבתית משמעותית.אלמנטים נדירים של מגנטים קבועים בטורבינות רוח (neodymium, dysprosium) להעלות חששות על ריכוז כריית ושרשרת האספקה. שפכים סולריים בזבז כדי להגיע מיליוני טונות על ידי אמצע המאה ה , חומרים מפתחים FLT:0recyablesquasratedsalsals, 1 LT, 000 , 000 טמפרטורות משולבות יותר ויותר.

כוחות נהיגה מאחורי הביקוש הגדל

מספר מגמות מתכוונות ליצור ביקוש גבוה מתמשך עבור מהנדסי חומרים בתחום האנרגיה המתחדשת.

מדיניות גלובלית והשקעות

מדינות המייצגות מעל 90% מהתמ"ג העולמי מחויבות למטרות פליטות אפס נטו, בדרך כלל עד שנת 2050.הסוכנות הבינלאומית לאנרגיה (IEA) שקיבולת האנרגיה המתחדשת חייבת להיות משולשת עד 2030 כדי כך שתמשיך לפעול על ידי השקעת השקעות מסיביות: חוק ניכוי האינפלציה בארה"ב, הסכם ירוק של האיחוד האירופי, וצריכת האנרגיה המתחדשת של סין מקצה מאות מיליארדי דולרים לפריסת אנרגיה נקייה ו-RD חומרים נדרשים לייצור זה.

טיהור טכנולוגי ופיזור

מערכות מתחדשות מוקדמות נשענות על חומרים בסיסיים; עכשיו התחום מידרדר לטכנולוגיות מתקדמות הדורשות חומרים מותאמים אישית: פלטפורמות רוח צפות, תאי perovskite-silicon שיזוף, סוללות מוצקות של המדינה, אלקטרוליצרים ומערכות לכידת פחמן.כל טכנולוגיה חדשה מביאה אתגרים ייחודיים.חוק תשתית ביס-מפלגתית בארה"ב כולל מימון ייעודי לעיבוד חומרים קריטיים וייצור, יצירת ביקוש ישיר לחומרים הנדסיים.

שרשרת אבטחה

פרצות גיאופוליטיות וצוואר בקבוק באספקת מינרלים קריטיים (lithium, cobalt, נדירים אדמה, גרפיטי טוהר גבוה) דחפו ממשלות וחברות להשקיע בעיבוד מקומי, מחזור, ו substitution. מהנדסים הם מרכזי מאמצים אלה: הם מפתחים כימאים חלופיים (למשל, LFP קטורדות כי נמנעים מקורט), מיצוי ותיקון חומרים מחדש של UFcing: 1.comcing תהליכים אלה.

דרישות חברות וצרכנים לקיימות

חברות נמצאות תחת לחץ לדווח ולהפחית את טביעת הרגל פחמן שלהם.רבים נוטים לייצר אנרגיה מתחדשת ישירות או להשקיע בדור באתר.זה יוצר שוק למשוך ציוד מתחדש יעיל יותר ויותר ארוך.חומרים מהנדסים עוזרים ליצרנים לספק מוצרים שעומדים בערבויות עמידות ודירוג יעילות, צמצום עלות האנרגיה המדרגת ושיפור ההשקעה.

חידושים של חומרים מתעוררים שמצילים את השדה

מחקרים חומרים מייצרים מועמדים פורצי דרך שיכולים להפוך מערכות אנרגיה מתחדשות:

• (FLT:0)Perovskite-Silicon Tandem CellsFLT ( 1:1): על ידי ערימה של שכבת perovskite על גבי תא סיליקון, יעילות מעל 30% הושגו אבטיפוס מעבדה. הנדסה יציבה, חומרים perovskite מדרג וממשקים הוא מוקד מרכזי.
• (FLT:0)Bio מבוסס ו- Recyclable CompositesFLT:1: להבים טורבינות הרוח עשויים סיבים flax או ממוחזר פחמן, ומערכות ממטריקס תרמוסט שניתן להיות מופרעת מבחינה כימית, מציעים נתיבים לכלכלה של אנרגיית רוח מעגלית.
• (FLT:0)Solid-state אלקטרוליטים FIRLT:1 ; Ceramics, sulfides ופולימרים להחליף סוללות אלקטרוליטים נוזליים מבטיחים סוללות בטוח יותר, גבוה יותר אנרגיה-אנרגיה מהנדסים לייעל מוליכות ionic ושלמות מכנית.
• (ב) ⁇ :0) ,התקדמות של קנביחות ופולימרים עצמיים, אשר מתקן מיקרו-מצרים בלוחות סולאריים, מרחיבים את תוחלת החיים של המערכת בסביבות קשות.
• (FLT:0)Nanostructured CatalystsFLT:1; פלטינום קבוצה ללא מתכת זרז עבור תאי דלק ואלקטרולייזרים, באמצעות מעבר מתכת nitrides, sulfides, או אתרי atom יחיד, להפחית את העלות תוך שמירה על פעילות.

המעבר מהפגנת מעבדה לייצור המוני דורש מהנדסי חומרים שמבינים את תהליך הגדל, בקרת איכות, ומודלים עלות.

קריירה ב- Outlook ומיומנויות בביקוש

הלשכה לסטטיסטיקה של העבודה בארה"ב מתכננת תעסוקה של מהנדסי חומרים לצמוח 7% מ-2023 עד 2033, מהר יותר מהממוצע עבור כל עיסוקים.עם זאת, הנתון הזה עשוי לדרוש אנרגיה מתחדשת במיוחד, כמו מהנדסים חומרים רבים עובדים במגזרים כמו אווירוקל, אלקטרוניקה, או ייצור כללי. חברות המתמחה בסוללות סולאריות, סולמות, וטכנולוגיה מימן הם גיוס חומרים באופן פעיל עם מומחיות פולימרים, אלקטרוכימיה, במיוחד סוללות קרסולק, במיוחד.

מיומנויות מפתח המעסיקים מחפשים כוללות:

• מיומנות בכלים של חומרים אפיון (SEM, XRD, TGA, DMA וכו ')
• ניסיון עם חומרים חישוביים מדע (DFT, למידת מכונה לגילוי חומרים)
• ידע של תהליכי ייצור (עיבוד רול-טו-roll, הזרקה, נפיחות, הליהוק)
• הבנה של ניתוח כישלונות, בדיקות אמינות והערכה מחזור חיים
• היכרות עם תקני איכות (ISO, ASTM) דרישות רגולטוריות (למשל, הסמכה UL עבור סוללות)
• מיומנויות תקשורת בין-תחומיות חזקות לשתף פעולה עם מהנדסי חשמל, מכניים וכימיקליים

תארים מתקדמים (תואר שני או דוקטורט) נפוצים לתפקידים של R&D, אך עמדות ברמת כניסה רבות בהנדסת תהליכים, אבטחת איכות או בדיקות פתוחות לבוגרים של רווק עם התמחות רלוונטית או ניסיון הפרויקט.

כיצד להתכונן לקריירה בהנדסת חומרים אנרגיה מתחדשת

מהנדסי חומרים שאפתניים צריכים לבנות בסיס חזק עקרונות הליבה: תרמודינמיקה, קינטיקה, דיאגרמות שלב, התנהגות מכנית ותכונות אלקטרוניות. קורסים מיוחדים בפולימרים, קרמיקה, קרמיקה, מוליכים למחצה, או אלקטרוכימיה ניתן להתאים ליישומים אנרגיה מתחדשת.

• השתתפות במעבדות מחקר לתואר ראשון עובד על תאים סולאריים, סוללות או מסובכים.
• מחפש התמחויות עם יצרני אנרגיה מתחדשת (למשל, וואטס, השמש הראשונה, טסלה, נטלון אנרגיה).
• לפתח מיומנויות במודל חישובי או ניתוח נתונים, כמו חומרים אינפורמטיביים גדל במהירות.
• להשתתף בכנסים כגון The Materials Research Society (MRS) Fall Meeting או כנס מומחי IEEE PV כדי ללמוד על מחקר חדשני ברשת עם אנשי מקצוע בתעשייה.
• הסמכה Pursue בסטנדרטים רלוונטיים (למשל, קורסי האופיון של החומרים של ASM International) או בניהול פרויקטים להנדסה.

אוניברסיטאות רבות הקימו מרכזי בינתחומיים לחומרי אנרגיה מתחדשים, כגון מעבדת המחקר של MIT חומרים, אוניברסיטת קליפורניה סנטה ברברה המכון לאנרגיה יעילות, או בית הספר קולורדו של חומרים אנרגיה מתחדשת של מכרות, התלמידים צריכים גם לצפות מימון הזדמנויות באמצעות החומרים מתקדמים של הקרן הלאומית למדע תוכנית אנרגיה מתחדשת.

מסקנה

צמיחתו של מגזר האנרגיה המתחדשת אינה מגמה זמנית אלא שינוי מבני במערכות האנרגיה העולמיות.מהנדסי החומרים חיוניים לכל טכנולוגיה מרכזית בטרנספורמציה זו – מרצף הסיליקון בלוחות סולאריים ועד לשכבות הזרז בתאי דלק מימן.כפי שמטרות הביצועים הופכות ליותר אגרסיביות ועלויות להגביר את תהליכי הפיתוח של התעשייה המשותפת, הביקוש למהנדסים שיכולים לפתח, לבחון ולגדל חומרי קריירה חדשים רק להזדמנות זו, לתרום את ההזדמנויות לצמצום האקלים ולאפשרות, ולאפשרות, תוך כדי להפוך את האתגרים הטכניים של התעשייה המשותפת, תוך כדי הפעלתו של התעשייה המשותפת, תוך כדי הפעלתו של המציאות המשתנים באופן ישיר, ולהבטיח אתגרימתים.