علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
MIT Engineers Develop Groundbreaking Concrete Supercapacitor
(بقلم: بريان ويستنهاوس عبر – BRIAN WESTENHAUS)
(مهندسو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا يطورون مكثفات خرسانية رائدة)
ابتكر مهندسو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مكثفًا فائقًا من الأسمنت والماء وأسود الكربون فقط. المكثف الفائق مصنوع من مواد قديمة وفيرة يمكنها تخزين كميات كبيرة من الطاقة. يمكن للجهاز أن يشكل الأساس لأنظمة غير مكلفة تخزن الطاقة المتجددة بشكل متقطع ، مثل الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح.
وفقًا لدراسة جديدة ، فإن اثنتين من أكثر المواد التاريخية انتشارًا للبشرية ، الاسمنت وأسود الكربون (الذي يشبه الفحم الجيد جدًا) ، قد يشكلان الأساس لنظام تخزين طاقة جديد ومنخفض التكلفة. يمكن لهذه التكنولوجيا أن تسهل استخدام مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح وطاقة المد والجزر من خلال السماح لشبكات الطاقة بالبقاء مستقرة على الرغم من التقلبات في إمدادات الطاقة المتجددة.
وجد الباحثون أنه يمكن دمج المادتين مع الماء لصنع مكثف فائق – بديل للبطاريات – يمكن أن يوفر تخزينًا للطاقة الكهربائية. على سبيل المثال ، يقول باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الذين طوروا النظام أنه يمكن في النهاية دمج المكثف الفائق في الأساس الخرساني للمنزل ، حيث يمكنه تخزين ما يكفي من الطاقة ليوم كامل مع إضافة القليل (أو لا) إلى تكلفة الأساس. ولا يزال يوفر القوة الهيكلية المطلوبة. يتصور الباحثون أيضًا طريقًا خرسانيًا يمكن أن يوفر إعادة شحن بدون تلامس للسيارات الكهربائية أثناء سفرهم عبر هذا الطريق.
تم وصف التكنولوجيا البسيطة والمبتكرة في ورقة بحثية ستنشر في مجلة (PNAS) ، في ورقة بحثية أعدها أساتذة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا فرانز جوزيف أولم ، وأدمير ماسيك ، ويانغ شاو هورن ، وأربعة آخرين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ومعهد ويس.
المكثفات هي من حيث المبدأ أجهزة بسيطة للغاية ، تتكون من لوحين موصلين كهربائياً مغموران في إلكتروليت ويفصل بينهما غشاء. عندما يتم تطبيق جهد عبر المكثف ، تتراكم الأيونات الموجبة الشحنة من الإلكتروليت على الصفيحة السالبة الشحنة ، بينما تتراكم اللوح الموجب الشحنة الأيونات سالبة الشحنة.
نظرًا لأن الغشاء الموجود بين الصفائح يمنع الأيونات المشحونة من الانتقال عبرها ، فإن فصل الشحنات هذا يخلق مجالًا كهربائيًا بين الألواح ، ويصبح المكثف مشحونًا. يمكن للصفيحتين الحفاظ على هذا الزوج من الشحنات لبعض الوقت ثم توصيلهما بسرعة كبيرة عند الحاجة. المكثفات الفائقة هي ببساطة مكثفات يمكنها تخزين شحنات كبيرة بشكل استثنائي.
تعتمد كمية الطاقة التي يمكن أن يخزنها المكثف على المساحة الإجمالية لألواحه الموصلة. يأتي مفتاح المكثفات الفائقة الجديدة التي طورها هذا الفريق من طريقة إنتاج مادة قائمة على الأسمنت مع مساحة سطح داخلية عالية للغاية بسبب شبكة كثيفة ومترابطة من المواد الموصلة ضمن حجمها الأكبر.
حقق الباحثون ذلك عن طريق إدخال أسود الكربون – عالي التوصيل – في خليط خرساني إلى جانب مسحوق الأسمنت والماء ، وتركه يجف.
تشكل المياه بشكل طبيعي شبكة متفرعة من الفتحات داخل الهيكل حيث تتفاعل مع الأسمنت ، وينتقل الكربون إلى هذه المساحات لصنع هياكل تشبه الأسلاك داخل الأسمنت المتصلب. تحتوي هذه الهياكل على هيكل شبيه بالفركتلات ، مع فروع أكبر تنبت فروعًا أصغر ، وتلك التي تنبت حتى أفرع أصغر ، وما إلى ذلك ، تنتهي بمساحة كبيرة للغاية داخل حدود حجم صغير نسبيًا.
يتم بعد ذلك نقع المادة في مادة إلكتروليت قياسية ، مثل كلوريد البوتاسيوم ، وهو نوع من الملح ، يوفر الجسيمات المشحونة التي تتراكم على هياكل الكربون. وجد الباحثون أن قطبين مصنوعين من هذه المادة ، مفصولان بمساحة رقيقة أو طبقة عازلة ، يشكلان مكثفًا فائقًا قويًا للغاية.
تعمل لوحتا المكثف تمامًا مثل قطبي بطارية قابلة لإعادة الشحن ذات جهد مكافئ: عند التوصيل بمصدر للكهرباء ، كما هو الحال مع البطارية ، يتم تخزين الطاقة في الألواح ، ثم عند التوصيل بالحمل ، يتم تخزين الطاقة الكهربائية يتدفق التيار للخارج لتوفير الطاقة.
قال ماسك: “المادة رائعة ، لأن لديك أكثر المواد التي صنعها الإنسان استخدامًا في العالم ، الأسمنت ، الذي يتم دمجه مع أسود الكربون ، وهي مادة تاريخية معروفة – لقد تمت كتابة مخطوطات البحر الميت معها. لديك هذه المواد التي يعود تاريخها إلى ألفي عام على الأقل والتي عندما تجمعها بطريقة معينة ، تتوصل إلى مركب نانوي موصل ، وهذا عندما تصبح الأشياء مثيرة للاهتمام حقًا”.
بينما يتماسك الخليط وعلاجه ، كما يقول ، “يتم استهلاك الماء بشكل منهجي من خلال تفاعلات ترطيب الأسمنت ، ويؤثر هذا الترطيب بشكل أساسي على جزيئات الكربون النانوية لأنها كارهة للماء (طارد الماء)”. مع تطور الخليط ، “يتجمع أسود الكربون ذاتيًا في سلك موصل متصل” ، كما يقول. هذه العملية قابلة للتكرار بسهولة ، باستخدام مواد غير مكلفة ومتاحة بسهولة في أي مكان في العالم. وأوضح ماسيك أن كمية الكربون المطلوبة صغيرة جدًا – أقل من 3 في المائة من حجم المزيج – لتحقيق شبكة كربون متسرب.
وأوضح أولم أن المكثفات الفائقة المصنوعة من هذه المادة لديها إمكانات كبيرة للمساعدة في انتقال العالم إلى الطاقة المتجددة ، فإن المصادر الرئيسية للطاقة الخالية من الانبعاثات ، وطاقة الرياح ، والطاقة الشمسية ، والمد والجزر ، تنتج جميعها مخرجاتها في أوقات متغيرة لا تتوافق في كثير من الأحيان مع ذروة استخدام الكهرباء ، لذا فإن طرق تخزين هذه الطاقة ضرورية.
“هناك حاجة كبيرة لتخزين طاقة كبيرة” ، والبطاريات الحالية باهظة الثمن وتعتمد في الغالب على مواد مثل الليثيوم ، الذي لا يتواجد بوفرة ، لذا هناك حاجة ماسة إلى بدائل أرخص. “هذا هو المكان الذي تكون فيه تقنيتنا واعدة للغاية ، لأن الأسمنت موجود في كل مكان”.
حسب الفريق أن كتلة من الخرسانة النانوية المطلية بالكربون الأسود والتي يبلغ حجمها 45 مترًا مكعبًا (أو ياردة) – أي ما يعادل مكعبًا بعرض 3.5 متر تقريبًا – سيكون لها سعة كافية لتخزين حوالي 10 كيلوواط / ساعة من الطاقة ، وهو يعتبر متوسط الاستخدام اليومي للكهرباء للأسرة. نظرًا لأن الخرسانة ستحتفظ بقوتها ، فإن المنزل الذي يحتوي على أساس مصنوع من هذه المادة يمكن أن يخزن طاقة يومية تنتجها الألواح الشمسية أو طواحين الهواء ويسمح باستخدامها كلما دعت الحاجة. ويمكن شحن المكثفات الفائقة وتفريغها بسرعة أكبر بكثير من البطاريات.
بعد سلسلة من الاختبارات المستخدمة لتحديد النسب الأكثر فاعلية للأسمنت وأسود الكربون والماء ، أظهر الفريق العملية من خلال صنع مكثفات فائقة صغيرة ، بحجم بعض بطاريات الخلايا الزر ، بعرض حوالي 1 سم وسمك 1 ملم ، يمكن شحن كل منها إلى 1 فولت ، مقارنة ببطارية 1 فولت. ثم قاموا بتوصيل ثلاثة من هؤلاء لإثبات قدرتها على إضاءة الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) بجهد 3 فولت. بعد أن أثبتوا المبدأ ، يخططون الآن لبناء سلسلة من الإصدارات الأكبر ، بدءًا بأخرى بحجم بطارية السيارة النموذجية بجهد 12 فولت ، ثم العمل حتى إصدار 45 متر مكعب لإثبات قدرتها على تخزين منزل – تستحق القوة.
ووجدوا أن هناك مفاضلة بين السعة التخزينية للمادة وقوتها الهيكلية. من خلال إضافة المزيد من أسود الكربون ، يمكن للمكثف الفائق الناتج تخزين المزيد من الطاقة ، لكن الخرسانة أضعف قليلاً ، وقد يكون هذا مفيدًا للتطبيقات التي لا تلعب فيها الخرسانة دورًا هيكليًا أو عندما لا تكون القوة الكامنة الكاملة للخرسانة مطلوبة. بالنسبة للتطبيقات مثل الأساس ، أو العناصر الهيكلية لقاعدة توربينات الرياح ، فإن “البقعة الحلوة” هي حوالي 10 بالمائة من الكربون الأسود في المزيج ، كما وجدوا.
هناك تطبيق آخر محتمل للمكثفات الفائقة من الأسمنت الكربوني وهو بناء طرق خرسانية يمكنها تخزين الطاقة التي تنتجها الألواح الشمسية على طول الطريق ثم توصيل تلك الطاقة إلى المركبات الكهربائية التي تسافر على طول الطريق باستخدام نفس النوع من التكنولوجيا المستخدمة في الهواتف القابلة لإعادة الشحن لاسلكيًا. يتم بالفعل تطوير نوع ذي صلة من أنظمة إعادة شحن السيارة من قبل شركات في ألمانيا وهولندا ، ولكن باستخدام بطاريات قياسية للتخزين.
يقول الباحثون إن الاستخدامات الأولية لهذه التقنية قد تكون للمنازل أو المباني أو الملاجئ المعزولة بعيدًا عن شبكة الطاقة ، والتي يمكن أن تعمل بألواح شمسية متصلة بمكثفات الأسمنت الفائقة.
يقول أولم إن النظام قابل للتطوير للغاية ، حيث إن سعة تخزين الطاقة هي وظيفة مباشرة لحجم الأقطاب الكهربائية. قال: “يمكنك الانتقال من أقطاب كهربائية بسماكة 1 مليمتر إلى أقطاب كهربائية بسمك متر واحد ، ومن خلال القيام بذلك بشكل أساسي يمكنك توسيع سعة تخزين الطاقة من إضاءة مصباح (LED) لبضع ثوانٍ ، إلى تشغيل منزل كامل”.
اعتمادًا على الخصائص المطلوبة لتطبيق معين ، يمكن ضبط النظام عن طريق ضبط الخليط. بالنسبة لطريق شحن المركبات ، ستكون هناك حاجة إلى معدلات شحن وتفريغ سريعة جدًا ، بينما لتشغيل المنزل “لديك يوم كامل لشحنه” ، لذلك يمكن استخدام مواد شحن أبطأ ، كما قال أولم. ويضيف: “لذلك ، إنها حقًا مادة متعددة الوظائف”. إلى جانب قدرتها على تخزين الطاقة في شكل مكثفات فائقة ، يمكن استخدام نفس النوع من خليط الخرسانة كنظام تدفئة ، ببساطة عن طريق تطبيق الكهرباء على الخرسانة المربوطة بالكربون.
يرى أولم هذا على أنه “طريقة جديدة للتطلع إلى مستقبل الخرسانة كجزء من انتقال الطاقة”.
بقدر ما تبدو هذه الأخبار رائعة ، وهي بالأحرى أخبار سارة مدهشة ، هناك بعض الثغرات الكبيرة في البيان الصحفي.
أول ما سيلاحظه الناس هو أن الأسمنت هو أحد مكونات الخرسانة. ولا ، الرمل والحصى لن تمتص الأسمنت وأسود الكربون. ونعم ، فهم يشغلون حصة كبيرة جدًا من الحجم الإجمالي للهيكل الخرساني. كيف سينعكس هذا الواقع في وحدة اختبار لم يتضح بعد.
الأمر التالي هو أن المكثفات يجب أن تكون معزولة كهربائيًا أو تهرب الإلكترونات والشحنة معها. عدم وجود القليل من الإشعار أو فكرة حول كيفية القيام بذلك اقتصاديًا – مفقودة.
تميل البيانات الصحفية بالطبع إلى احتواء جميع النقاط الإيجابية التي يمكن حشدها وبالكاد يتم ذكر السلبية.
لذلك قد يتذكر المرء أن أساسيات ممرات المياه تصبح معبأة باللون الأسود الكربوني لأن علاجات الأسمنت / الخرسانة تبدو صلبة حقًا. أما بالنسبة لبناء الطرق أو الأساسات المنزلية أو غيرها من الأعمال العميقة في الأرض – فهناك طريق طويل لنقطعه.
على كل ، صحيح أن الإسمنت ثقيل جدا ، لكن يبدوا أن صناعة مكثف خرساني خفيف الوزن وفائق الأداء ممكن مستقبلا.
المصدر:
