2021-08-26
تمكن الباحث المصري من جامعة تولين الأمريكية، مايكل نجيب من تصميم مكثف جديد كُلياً يمكن أن يساعد على شحن السيارات الكهربائية والأجهزة المحمولة مثل الهواتف والكمبيوترات بسرعة فائقة.
قام الفريق العلمي، بقيادة نجيب الذي يشغل منصب أستاذ مساعد هندسة المواد، بتصميم مادة جديدة على المستوى النانوي تُحقق قوة عالية وكثافة طاقة كبيرة، وستساعد مستقبلًا في تحسين مجموعة كبيرة من تطبيقات تخزين الطاقة.
تبدأ الحكاية قبل نحو 10 سنوات، حين ابتكر نجيب نوعاً جديداً من المواد يُسمى «الماكسينات»؛ وهي عائلة من المواد تتكون من معادن انتقالية ثنائية الأبعاد -كمعدن التيتانيوم- وكربيدات- مركبات الكربون. بفضل هياكل تلك المواد ذات الطبقات وتوصيلتها الكهربائية العالية، فقد ظهرت كمادة واعدة لصناعة أقطاب كهربائية لتخزين الطاقة. فتلك المواد، يُمكن استخدامها كأقطاب كهربائية فائقة في مجموعة تُسمى المكثفات الفائقة؛ والتي تُعد أحد العناصر الكهربائية التي لديها قدرة كبيرة على تخزين الطاقة.
وعلى حد ما يقول نجيب في تصريحاته لـ«الرؤية»: «أظهرت الماكسينات أداء مبهراً في المكثفات المعتمدة على اليكتروليت مائي -وهي المادة التي تُشكل وسطاً لنقل الكهرباء لاحتوائها على الأيونات الحرة- لكن تلك المكثفات محدودة الطاقة، إذ إن تحلل المياه يمنعها من العمل على مستويات أعلى من 1 فولت». ومن هنا؛ جاءت فكرة جديدة لنجيب وفريقه. فإذا كان العائق هو تحلل المياه، فلماذا لا يتم استخدام مادة أخرى لا تتحلل عند تلك المستويات؟
قال نجيب: «قررنا البحث عن مدى كفاءة استخدام السوائل الأيونية في صناعة مكثف جديد». والسوائل الأيونية باختصار هي أملاح سائلة في درجة حرارة الغرفة. وفي حين أن السوائل العادية مثل البنزين والماء تتكون في الغالب من جزيئات متعادلة كهربائياً؛ فإن السوائل الأيونية تتكون من أيونات. وبسبب طبيعة تكوينها الفريدة، يطلق عليها العلماء اسم «الكهرباء السائلة».
لكن استخدام السوائل الأيونية في صناعة «مكثفات الماكسينات» واجه مشكلة كبيرة؛ فالماكسينات لا تستطيع تخزين السوائل الأيونية بين طبقاتها بسبب أن تلك السوائل ذات قطر كبير.
وللتغلب على تلك المشكلة، قام نجيب بإدخال سلاسل من البوليمر -مادة تُشبه البلاستيك- بين طبقات الماكسينات. قال الباحث المصري في تصريحات خاصة لـ«الرؤية»: «إن تلك السلاسل قامت بإبعاد طبقات الماكسين عن بعضها البعض، وهو ما سمح للسوائل الأيونية بالدخول بين تلك الطبقات. في تلك الحالة وصلنا لمعدلات تخزين طاقة تقارب البطاريات، لكن بمعدلات شحن أسرع عشرات المرات مُقارنة ببطاريات الليثيوم- أيون».
ببساطة؛ يعنى ذلك الأمر قدرة أكبر على تخزين الطاقة؛ لكن مع معدلات شحن أسرع بكثير من البطاريات العادية.
يُمكن استخدام المكثفات الجديدة في المستقبل في تخزين طاقة الرياح على سبيل المثال. قال نجيب: «إن توربينات الرياح -أثناء هبوب الرياح بسرعات عالية للغاية- يُمكنها حصاد طاقة كبيرة، لكن لا يُمكن تخزينها بنفس سرعة حصادها» فبطاريات الليثيوم المستخدمة لا تستطيع أن تشحن بسرعة تتناسب مع سرعة حصاد الطاقة لذا؛ فمن ضمن أفضل التقنيات التي يُمكن استخدام المكثف الجديد فيها هو تخزين الطاقة من الأجهزة القادرة على توليد طاقة في وقت قصير.
اختبر الباحثون في تلك الدراسة قدرة المكثف الجديد على التخزين طيلة 10 آلاف دورة كاملة؛ وهذا يعني أن عمر ذلك المكثف طويل، ويُساوي -إن لم يزد- عمر بطاريات الليثيوم أيون المستخدمة حالياً في تخزين الطاقة.
وأضاف نجيب: «يمكن صناعة الماكسينات بكُلفة زهيدة. إنها لن تكون باهظة في حالة حساب الكُلفة الصناعية الكُلية؛ لكن لا يُمكنني إعطاء أرقام دقيقة في الوقت الحالي».
وأشار نجيب إلى أنه يتوقع ظهور تلك التقنية في المستقبل القريب. ويأمل أن تدخل المادة الجديدة في صناعة تقنيات لديها القدرة على تقليل أوقات الشحن من ساعات إلى بضع دقائق.
قام الفريق العلمي، بقيادة نجيب الذي يشغل منصب أستاذ مساعد هندسة المواد، بتصميم مادة جديدة على المستوى النانوي تُحقق قوة عالية وكثافة طاقة كبيرة، وستساعد مستقبلًا في تحسين مجموعة كبيرة من تطبيقات تخزين الطاقة.
تبدأ الحكاية قبل نحو 10 سنوات، حين ابتكر نجيب نوعاً جديداً من المواد يُسمى «الماكسينات»؛ وهي عائلة من المواد تتكون من معادن انتقالية ثنائية الأبعاد -كمعدن التيتانيوم- وكربيدات- مركبات الكربون. بفضل هياكل تلك المواد ذات الطبقات وتوصيلتها الكهربائية العالية، فقد ظهرت كمادة واعدة لصناعة أقطاب كهربائية لتخزين الطاقة. فتلك المواد، يُمكن استخدامها كأقطاب كهربائية فائقة في مجموعة تُسمى المكثفات الفائقة؛ والتي تُعد أحد العناصر الكهربائية التي لديها قدرة كبيرة على تخزين الطاقة.
وعلى حد ما يقول نجيب في تصريحاته لـ«الرؤية»: «أظهرت الماكسينات أداء مبهراً في المكثفات المعتمدة على اليكتروليت مائي -وهي المادة التي تُشكل وسطاً لنقل الكهرباء لاحتوائها على الأيونات الحرة- لكن تلك المكثفات محدودة الطاقة، إذ إن تحلل المياه يمنعها من العمل على مستويات أعلى من 1 فولت». ومن هنا؛ جاءت فكرة جديدة لنجيب وفريقه. فإذا كان العائق هو تحلل المياه، فلماذا لا يتم استخدام مادة أخرى لا تتحلل عند تلك المستويات؟
قال نجيب: «قررنا البحث عن مدى كفاءة استخدام السوائل الأيونية في صناعة مكثف جديد». والسوائل الأيونية باختصار هي أملاح سائلة في درجة حرارة الغرفة. وفي حين أن السوائل العادية مثل البنزين والماء تتكون في الغالب من جزيئات متعادلة كهربائياً؛ فإن السوائل الأيونية تتكون من أيونات. وبسبب طبيعة تكوينها الفريدة، يطلق عليها العلماء اسم «الكهرباء السائلة».
لكن استخدام السوائل الأيونية في صناعة «مكثفات الماكسينات» واجه مشكلة كبيرة؛ فالماكسينات لا تستطيع تخزين السوائل الأيونية بين طبقاتها بسبب أن تلك السوائل ذات قطر كبير.
وللتغلب على تلك المشكلة، قام نجيب بإدخال سلاسل من البوليمر -مادة تُشبه البلاستيك- بين طبقات الماكسينات. قال الباحث المصري في تصريحات خاصة لـ«الرؤية»: «إن تلك السلاسل قامت بإبعاد طبقات الماكسين عن بعضها البعض، وهو ما سمح للسوائل الأيونية بالدخول بين تلك الطبقات. في تلك الحالة وصلنا لمعدلات تخزين طاقة تقارب البطاريات، لكن بمعدلات شحن أسرع عشرات المرات مُقارنة ببطاريات الليثيوم- أيون».
ببساطة؛ يعنى ذلك الأمر قدرة أكبر على تخزين الطاقة؛ لكن مع معدلات شحن أسرع بكثير من البطاريات العادية.
يُمكن استخدام المكثفات الجديدة في المستقبل في تخزين طاقة الرياح على سبيل المثال. قال نجيب: «إن توربينات الرياح -أثناء هبوب الرياح بسرعات عالية للغاية- يُمكنها حصاد طاقة كبيرة، لكن لا يُمكن تخزينها بنفس سرعة حصادها» فبطاريات الليثيوم المستخدمة لا تستطيع أن تشحن بسرعة تتناسب مع سرعة حصاد الطاقة لذا؛ فمن ضمن أفضل التقنيات التي يُمكن استخدام المكثف الجديد فيها هو تخزين الطاقة من الأجهزة القادرة على توليد طاقة في وقت قصير.
اختبر الباحثون في تلك الدراسة قدرة المكثف الجديد على التخزين طيلة 10 آلاف دورة كاملة؛ وهذا يعني أن عمر ذلك المكثف طويل، ويُساوي -إن لم يزد- عمر بطاريات الليثيوم أيون المستخدمة حالياً في تخزين الطاقة.
وأضاف نجيب: «يمكن صناعة الماكسينات بكُلفة زهيدة. إنها لن تكون باهظة في حالة حساب الكُلفة الصناعية الكُلية؛ لكن لا يُمكنني إعطاء أرقام دقيقة في الوقت الحالي».
وأشار نجيب إلى أنه يتوقع ظهور تلك التقنية في المستقبل القريب. ويأمل أن تدخل المادة الجديدة في صناعة تقنيات لديها القدرة على تقليل أوقات الشحن من ساعات إلى بضع دقائق.