علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
U of T Engineering-Fujitsu collaboration uses quantum-inspired computing to discover improved catalyst for clean H2 production
(موقع مجلة تقنيات الهيدروجين – h2-tech.com)
ملخص المقالة:
نتج عن تعاون باحثين في جامعة تورنتو الكندية وشركة فوجيتسو مادة محفزة جديدة واعدة يمكن أن تساعد في خفض تكلفة إنتاج الهيدروجين النظيف، فقد طوروا طريقة جديدة للبحث من خلال الفضاء الكيميائي عن المواد ذات الخصائص المرغوبة، وذلك باستخدام نموذج حاسوبي لمحاكاة الخصائص الكيميائية لجميع المواد المحتملة التي يمكن تجربتها. ولكون الحسابات في هذه الحالة معقدة حقًا ويلزمها قوة حاسوبية هائلة لتشغيل النموذج، لجأوا إلى المجال الناشئ للحوسبة المستوحاة من الكم، واستفادوا من “أنيلر الرقمي”، وهي أداة تم إنشاؤها نتيجة لتعاون طويل الأمد بين كلية الهندسة بجامعة تورنتو وفوجيتسو للأبحاث. وأشارت النتائج إلى عائلة واعدة من المواد المكونة من الروثينيوم والكروم والمنغنيز والأنتيمون والأكسجين، وصنع الفريق العديد من هذه المركبات ووجدوا أن أفضلها أظهر نشاطًا جماعيًا والذي كان أعلى بثماني مرات تقريبًا من بعض أفضل المحفزات المتاحة حاليًا. ويتمتع المحفز الجديد بمزايا أخرى أيضًا، فهو يعمل جيدًا في الظروف الحمضية، كما أن الروثينيوم، المكون الرئيسي للمحفز الجديد، أكثر وفرة وسعره أقل في السوق.
( المقالة )
طور باحثون من كلية الهندسة بجامعة تورنتو وشركة فوجيتسو (Fujitsu) طريقة جديدة للبحث من خلال الفضاء الكيميائي عن المواد ذات الخصائص المرغوبة. ونتج عن هذه التقنية مادة محفزة جديدة واعدة يمكن أن تساعد في خفض تكلفة إنتاج الهيدروجين النظيف.
ويمثل الاكتشاف خطوة مهمة نحو طرق أكثر استدامة لتخزين الطاقة، بما في ذلك من مصادر متجددة ولكن متقطعة، مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح.
“إن زيادة إنتاج ما نسميه الهيدروجين الأخضر يمثل أولوية للباحثين في جميع أنحاء العالم لأنه يوفر طريقة خالية من الكربون لتخزين الكهرباء من أي مصدر”، قال البروفيسور تيد سارجنت (من كلية الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسبات)، كبير المؤلفين لورقة بحثية جديدة نُشرت في مجلة “المادة” (1)(Matter). وأضاف: “يوفر هذا العمل إثباتًا للمفهوم لنهج جديد للتغلب على أحد التحديات الرئيسية المتبقية، وهو عدم وجود مواد محفزة نشطة للغاية لتسريع التفاعلات الحرجة”.
ويتم إنتاج جميع الهيدروجين التجاري تقريبًا من الغاز الطبيعي. وتنتج العملية ثاني أكسيد الكربون كمنتج ثانوي: إذا تم تنفيس ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، يُعرف المنتج بالهيدروجين الرمادي، ولكن إذا تم التقاط ثاني أكسيد الكربون وتخزينه، فإنه يسمى الهيدروجين الأزرق.
وعلى النقيض من ذلك، يعتبر الهيدروجين الأخضر طريقة خالية من الكربون تستخدم جهازًا يعرف باسم المحلل الكهربائي لتقسيم الماء إلى غاز الهيدروجين وغاز الأكسجين. ويمكن لاحقًا حرق الهيدروجين أو التفاعل معه في خلية وقود لاعادة توليد الكهرباء. ومع ذلك، فإن الكفاءة المنخفضة للمحلل الكهربائي المتاح يعني أن معظم الطاقة في خطوة تقسيم الماء تُهدر كحرارة، بدلاً من التقاطها في الهيدروجين.
ويتسابق الباحثون في جميع أنحاء العالم للعثور على مواد محفزة أفضل يمكنها تحسين هذه الكفاءة. ولكن نظرًا لأن كل مادة محفزة محتملة يمكن أن تتكون من عدة عناصر كيميائية مختلفة، مجتمعة بطرق متنوعة، فإن عدد التباديل الممكنة سرعان ما يصبح طاغياً.
وقال جهاد عابد، طالب الدكتوراه في علوم وهندسة المواد، وهو أحد المؤلفَين الرئيسيين المشاركَين في الورقة لبحثية الجديدة: “تتمثل إحدى طرق القيام بذلك في الحدس البشري، من خلال البحث عن المواد التي صنعتها المجموعات الأخرى وتجربة شيء مشابه، ولكن هذا بطيء جدًا”. وتابع: “طريقة أخرى هي استخدام نموذج حاسوبي لمحاكاة الخصائص الكيميائية لجميع المواد المحتملة التي قد نجربها، بدءًا من المبادئ الأولى. ولكن في هذه الحالة، تصبح الحسابات معقدة حقًا، وتصبح القوة الحاسوبية اللازمة لتشغيل النموذج هائلة”.
ولإيجاد طريقة، لجأ الفريق إلى المجال الناشئ للحوسبة المستوحاة من الكم. وقد استفادوا من “أنيلر الرقمي” (Digital Annealer)(2)، وهي أداة تم إنشاؤها نتيجة لتعاون طويل الأمد بين كلية الهندسة بجامعة تورنتو وفوجيتسو للأبحاث. وأدى هذا التعاون أيضًا إلى إنشاء مختبر فوجيتسو لأبحاث الإبداع المشترك في جامعة تورنتو.
وقال هيديتوشي ماتسومورا، باحث أول في شركة فوجيتسو للاستشارات (كندا): “انيلر الرقمي عبارة عن مزيج من الأجهزة والبرامج الفريدة المصممة لتكون ذات كفاءة عالية في حل مشاكل التحسين التجميعي”.
وتابع: “تشمل هذه المشكلات العثور على المسار الأكثر كفاءة بين مواقع متعددة عبر شبكة النقل، أو اختيار مجموعة من الأسهم لتكوين محفظة متوازنة. ويعد البحث من خلال مجموعات مختلفة من العناصر الكيميائية للعثور على محفز بالخصائص المرغوبة مثالاً آخر، وقد كان تحديًا مثاليًا لـ ’انيلر الرقمي’ الخاص بنا لمواجهته”.
وفي الورقة البحثية، استخدم الباحثون تقنية تسمى توسع التجمع لتحليل عدد هائل حقًا من تصميمات المواد المحفزة المحتملة – حيث يقدرون الإجمالي كرقم بترتيب مئات الكوادريليونات (quadrillion). وبالنسبة للمنظور، فإن الكوادريليون الواحد هو تقريبًا عدد الثواني التي ستمر في 32 مليون عام.
وأشارت النتائج إلى عائلة واعدة من المواد المكونة من الروثينيوم والكروم والمنغنيز والأنتيمون والأكسجين، والتي لم يتم استكشافها سابقا من قبل مجموعات بحثية أخرى.
وصنع الفريق العديد من هذه المركبات ووجدوا أن أفضلها أظهر نشاطًا جماعيًا – وهو مقياس لعدد التفاعلات التي يمكن تحفيزها لكل كتلة من المحفز – والذي كان أعلى بثماني مرات تقريبًا من بعض أفضل المحفزات المتاحة حاليًا .
ويتمتع المحفز الجديد بمزايا أخرى أيضًا: فهو يعمل جيدًا في الظروف الحمضية، وهو أحد متطلبات تصميمات المحلل الكهربائي الأحدث تقنيا. ويعتمد هذا المحلل الكهربائي على المحفزات المصنوعة بشكل كبير من الإيريديوم، وهو عنصر نادر يكون الحصول عليه مكلفًا. وبالمقارنة، فإن الروثينيوم، المكون الرئيسي للمحفز الجديد، أكثر وفرة وسعره أقل في السوق.
وهناك المزيد من العمل أمام الفريق: على سبيل المثال، يهدفون إلى زيادة تحسين استقرار المحفز الجديد قبل اختباره في المحلل الكهربائي. ولا يزال العمل الأخير بمثابة إثبات لفعالية النهج الجديد للبحث في الفضاء الكيميائي.
“أعتقد أن الأمر المثير في هذا المشروع هو أنه يوضح كيف يمكنك حل المشكلات المعقدة والمهمة حقًا من خلال الجمع بين الخبرة من مختلف المجالات”، قال المرشح لنيل درجة الدكتوراه في الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسبات هيتارث تشوبيسا، المؤلف الرئيسي المشارك الآخر للورقة البحثية.
وأضاف: “لفترة طويلة، كان علماء المواد يبحثون عن هذه المحفزات الأكثر كفاءة، وكان علماء الحوسبة يصممون خوارزميات أكثر كفاءة، ولكن تم قطع الاتصال بين المجهودين. عندما جمعناهم معًا، تمكنا من إيجاد حل واعد بسرعة كبيرة. أعتقد أن هناك الكثير من الاكتشافات المفيدة التي يمكن إجراؤها بهذه الطريقة”.
*تمت الترجمة بتصرف
المصدر:
الهوامش:
- مجلة شهرية تشمل موضوعاتها المجال العام لعلوم المواد، من النانو إلى الماكرو، من الأساسيات إلى التطبيق.
- “أنيلر” الرقمي (Digital Annealer) هو أول بنية تقنية رقمية مستوحاة من الكم في العالم، وهو قادر على أداء حسابات التحسين المتوازية في الوقت الحقيقي بسرعة وبدقة وعلى نطاق لا تستطيع الحوسبة الكلاسيكية ذلك. إنه حل رائد مستوحى من الخصائص الرئيسية للحوسبة الكمومية – التراكب والنفق الكمي والتشابك لتمكين التقييم المتزامن لعدد مذهل من الخيارات المحتملة وتقديم رؤى سريعة البرق. ويمكن حل المشكلات الاندماجية المعقدة واسعة النطاق في ثوانٍ، مما يعني أن المشكلات التي كان من المستحيل حلها سابقًا باستخدام أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية أو التي كانت بحاجة إلى معالجتها بالقوة الغاشمة، يمكن الآن حلها في الوقت الفعلي تقريبًا. وتتيح البنية المتصلة بالكامل التبادل الحر للإشارات عبر جميع البتات (Bits) لحل المشكلات واسعة النطاق بسرعة. وقد تم العثور على الحلول المثلى في عملية للتخلص من أوجه القصور وتحسين الإنتاجية. المصدر: What is Digital Annealer? : Fujitsu Global
