الإسمنت، الكربون الأسود، الإلكتروليتات، والماء يشكلون وصفة بسيطة لمكثف فائق جديد متعدد الاستخدامات

إذا نجحت التطورات الأخيرة المتعلقة بعلوم المواد، سيصبح عالمنا مكانًا مختلفًا تمامًا خلال بضع سنوات فقط. خلال الأسبوع الماضي، ليس هناك فقط قائمة متزايدة من العلماء الذين يحاولون إعادة إنشاء وإثبات صحة الادعاءات الأخيرة حول موصل فائق محتمل يعمل في درجة حرارة الغرفة وضغط محيط يُدعى ‘LK-99’، بل أعلن معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) أيضًا عن اكتشاف مثير خاص به. سيكون هذا مكثفًا فائقًا منخفض التكلفة مصنوعًا من مواد غير غريبة.

ما هو المكثف؟

ما الذي يجعل أحدها ‘فائقًا’؟

المكثف الفائق، المعروف أيضًا بالمكثف الفائق أو مكثف الطبقة المزدوجة، هو نوع من المكثفات يتمتع بسعة استيعابية استثنائية عالية. إليك كيف يختلف المكثف الفائق عن المكثفات العادية:

• سعة التخزين: يمكن للمكثفات الفائقة تخزين كمية أكبر بكثير من الشحنة الكهربائية مقارنة بالمكثفات العادية. ذلك يرجع إلى المساحة السطحية العالية للأقطاب الكهربائية والمسافة الضئيلة جدًا بينها، مما يسمح بتخزين شحنة أكبر.
• كثافة الطاقة والكثافة القوية: على الرغم من أن المكثفات عادةً ما تمتلك كثافة قدرة أعلى (يمكنها توصيل الطاقة بسرعة) ولكن كثافة طاقة أقل (تخزن طاقة أقل)، فإن المكثفات الفائقة تجسر الفجوة بين المكثفات والبطاريات بامتلاكها كل من كثافة القدرة العالية وكثافة الطاقة المرتفعة نسبيًا.
• البناء: غالبًا ما تستخدم المكثفات الفائقة موادًا وطرق بناء مختلفة. عادةً ما تستعمل مواد كربون مسامية للأقطاب الكهربائية، مما يوفر مساحة سطحية كبيرة، وإلكتروليت يسمح بحركة الأيونات. المساحة السطحية الكبيرة والبناء الخاص يتيحان للمكثف الفائق تخزين طاقة أكبر.
• معدلات الشحن والتفريغ: يمكن شحن وتفريغ المكثفات الفائقة بسرعة أكبر بكثير من البطاريات، ويمكنها تحمل عدد أكبر من دورات الشحن والتفريغ دون تدهور ملحوظ. بينما الشحن والتفريغ السريع أيضًا موجود في المكثفات العادية، فإن المكثفات الفائقة يمكنها الاحتفاظ بالشحنة لفترة أطول بفضل سعة التخزين الأكبر لديها.

ببساطة، بينما تعمل المكثفات العادية والمكثفات الفائقة على نفس المبدأ الأساسي لتخزين الطاقة في حقل كهربائي، فإن المكثفات الفائقة تتميز بسعة تخزين أعلى بكثير، ومواد بناء مختلفة، وقدرتها على الجمع بين خصائص كل من المكثفات والبطاريات.

أين تُستخدم المكثفات الفائقة؟

الآن بعد أن عرفت ما هو المكثف الفائق، أين يكون مفيدًا؟ تُستخدم المكثفات الفائقة عادةً في التطبيقات التي تتطلب توصيل طاقة سريع وتخزين فعال. إليك بعض المجالات النموذجية التي قد تجد فيها المكثفات الفائقة:

• المركبات الكهربائية (EVs): يمكن للمكثفات الفائقة توفير دفعات سريعة من الطاقة المطلوبة للتسارع، ويمكنها أيضًا التقاط الطاقة أثناء الكبح المتجدد، مما يحسن الكفاءة العامة للمركبة.
• وسائل النقل العامة: في الحافلات والترام، يمكن استخدام المكثفات الفائقة لتخزين الطاقة بسرعة أثناء التوقفات القصيرة ثم توفير الطاقة اللازمة للتسارع، مما يقلل العبء على مصدر الطاقة الرئيسي.
• أنظمة الطاقة المتجددة: يمكن للمكثفات الفائقة تخزين الطاقة من مصادر متجددة مثل الشمس والرياح، وإطلاقها عند الحاجة. يساعد ذلك في تسوية تقلبات إمداد الطاقة عندما يكون الشمس والرياح نادرين.
• أنظمة الطاقة غير القابلة للانقطاع (UPS): في الأنظمة التي تتطلب إمدادًا مستمرًا للطاقة، يمكن للمكثفات الفائقة توفير طاقة مؤقتة أثناء الانقطاعات القصيرة أو حتى تشغيل المولدات الاحتياطية.
• الإلكترونيات الاستهلاكية: في بعض الأجهزة، يمكن للمكثفات الفائقة توفير دفعات سريعة من الطاقة المطلوبة لبعض الوظائف، مثل التصوير الفوتوغرافي بالفلاش في الكاميرات وتركيبات الصوت المتقدمة في السيارات.
• الأجهزة الطبية: يمكن استخدام المكثفات الفائقة في الأجهزة الطبية مثل أجهزة الصدمات القلبية التي تتطلب توصيل طاقة موثوق وفوري.
• المعدات الصناعية: في البيئات الصناعية، يمكن للمكثفات الفائقة توفير القدرة العالية المطلوبة لفترات قصيرة في مختلف الآلات والأدوات.
• استقرار الشبكة: يمكن للمكثفات الفائقة أن تُستخدم في شبكة الكهرباء لتوفير استجابة سريعة لتغيّر الطلب أو الإمداد، مما يساعد على استقرار الشبكة ومنع التقلبات.
• أجهزة الاتصالات اللاسلكية: يمكن استخدامها لتوفير الطاقة اللازمة لإرسال الإشارات، خاصةً في المواقع النائية أو الصعبة الوصول حيث يكون استبدال البطاريات صعبًا.
• تطبيقات الشبكة الذكية والميكروغريد: يمكن أن تكون المكثفات الفائقة جزءًا من أنظمة إدارة الطاقة الذكية، مما يساعد على موازنة الأحمال وتخزين الطاقة محليًا لاستخدام أكثر كفاءة.
• الفضاء والدفاع: في تطبيقات الفضاء، يمكن للمكثفات الفائقة توفير طاقة موثوقة للأنظمة الحرجة التي تتطلب موثوقية وأداءً عاليين.

بشكل عام، تجعل المرونة، وكثافة القدرة العالية، وقدرات الشحن/التفريغ السريعة للمكثفات الفائقة مناسبة لمجموعة واسعة من التطبيقات التي تتطلب كلًا من تخزين الطاقة وإطلاقها بسرعة. كما يمكنك أن ترى من القائمة أعلاه، تُستخدم المكثفات الفائقة بالفعل في عدد هائل من الصناعات. وبالتالي، فإن الاكتشاف الأخير الذي أجرته MIT يثير اهتمامًا خاصًا بسبب إمكاناته في تعزيز العديد من التطبيقات المختلفة.

وصفة جديدة

وفقًا لـ MIT، طور الباحثون المشاركون في هذا الاكتشاف طريقة لإنتاج مادة قائمة على الإسمنت ذات مساحة سطح داخلية عالية عن طريق إدخال الكربون الأسود في خليط الخرسانة. المادة الناتجة، عند غمرها في إلكتروليت قياسي مثل كلوريد البوتاسيوم، تشكل مكثفًا فائقًا قويًا. ومن الجدير بالذكر أن كمية الكربون المطلوبة قليلة جدًا، مما يجعل العملية غير مكلفة وسهلة التكرار.
عند إنشاء مكثف فائق، من المهم أن نتذكر أن أدائه يعتمد إلى حد كبير على مساحة السطح الداخلية لألواحها الموصلة. تقول MIT إن،

المفتاح للمكثفات الفائقة الجديدة التي طورها هذا الفريق يأتي من طريقة إنتاج مادة قائمة على الإسمنت ذات مساحة سطح داخلية مرتفعة للغاية بسبب شبكة كثيفة ومترابطة من المادة الموصلة داخل حجمها الكلي.

ما هو المفتاح في هذا الاكتشاف هو أنه تم تحقيقه باستخدام مواد عادية للغاية، تُوجد بأسعار رخيصة حول العالم – مما يجعلها تقنية سهلة الوصول إلى حد كبير.

حيث يصبح هذا الاكتشاف مثيرًا هو عندما نفكر في تطبيقاته المستقبلية المحتملة في استقرار شبكات الطاقة والطلب. يصف الفريق تنفيذًا يتم فيه صنع أساس المنزل من هذه المادة. ليس فقط يمكن أن تكون المادة قوية مثل الإسمنت العادي، بل سيكون لأساس المنزل سعة تخزينية تكفي لتوفير كهرباء ليوم كامل. يمكن الاعتماد عليها أثناء انقطاع التيار، خلال ساعات الذروة، أو في ظروف مشابهة.

كما أنها مفيدة للمنازل التي تستفيد من الطاقة المتجددة، حيث الإمداد غير ثابت. خلال فترات الإنتاج الزائد، يمكن شحن الطاقة المخزنة في الأساس، بينما في فترات نقص الطاقة يمكن الاعتماد عليها. تشمل التطبيقات الأخرى تقنية الشحن اللاسلكي، لخدمة المجتمعات والمنازل المنفصلة عن شبكات الطاقة التقليدية، وغيرها.

الكلمة الأخيرة

أهمية المكثف الفائق القائم على الإسمنت هائلة، نظرًا لتفضيل البشر للبناء بهذه المادة. بشكل عام، يعتقد الفريق أن

…تصميم مادة مركبات الكربون-الإسمنت المسامية يوفر حلًا ماديًا قابلًا للتوسع لتخزين الطاقة لدعم الانتقال العاجل من الوقود الأحفوري إلى الطاقة المتجددة.

ليس فقط ستكون سهلة الوصول، بل يمكن تنفيذها بسهولة نسبية في المشاريع الصغيرة والكبيرة على حد سواء.