التصنيع بالإضافة
خلايا الوقود الفطرية تم إنشاؤها بمساعدة الطباعة ثلاثية الأبعاد
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
البطاريات هي القوة الدافعة وراء حاضرنا المتقدم تقنياً ومستقبلنا. فهي تشغل كل شيء من أجهزة التحكم عن بُعد، والكاميرات، والهواتف، وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، والمركبات الكهربائية إلى المعدات، والروبوتات، وتخزين الطاقة.
في ضوء الاستخدامات المتعددة للبطاريات، نما حجم سوقها لتُقَدَّر قيمته بـ $134.62 مليار في 2024 ومن المتوقع أن يتوسع بمعدل نمو سنوي مركب (CAGR) قدره 16.4% بحلول 2030.
مع الطلب المتزايد باستمرار على البطاريات، يتركز الانتباه الآن على تحسين التقنية لتقديم كثافة طاقة أعلى، أمان أفضل، عمر أطول، وتقليل وقت الشحن.
إلى جانب تحسين أداء البطاريات، يزداد التركيز الآن على تقليل الأثر البيئي لها. ذلك يعود إلى تزايد النفايات الإلكترونية، التي يُقدَّر أنها ستصل إلى 74.7 مليون طن بحلول نهاية هذا العقد نتيجة التخلص من الإلكترونيات التي تحتوي على مكونات لا تتحلل بسهولة أو لا يمكن إعادة تدويرها بسهولة.
في الوقت نفسه، تتناقص المواد غير المتجددة بسرعة، ما يخلق حاجة ملحة لمصادر طاقة مستدامة جديدة يمكن معالجتها بكفاءة وتترك أثراً بيئياً ضئيلاً.
لتلبية الحاجة المتسارعة لتطوير إلكترونيات خضراء تستخدم مواد غير سامة، أكثر صداقة للبيئة، ومتجددة في مكوّناتها، أنشأ باحثو Empa بطارية فطرية قابلة للتحلل، بدلاً من الشحن تحتاج إلى التغذية. هذه البطارية الحية، التي تُطبع بتقنية 3D، يمكن أن تزود المستشعرات المستخدمة في الزراعة أو البحوث في المناطق النائية بالطاقة. بمجرد أن تنتهي البطارية الفطرية من عملها، تقوم بهضم نفسها من الداخل.
تُستَخدم هذه البطاريات الحيوية أو خلايا الوقود الميكروبية (MFCs) عمليات الأكسدة والاختزال للميكروكائنات لإنتاج الطاقة.
الميكروكائنات المستخدمة في هذه الأنواع من خلايا الوقود تتغذى على المواد العضوية مثل مياه الصرف أو السكريات، وفي غياب هذه المواد تستخدم الطاقة الضوئية وعملية التمثيل الضوئي. تتكوّن خلية الوقود الميكروبية من أنود وكاثود، إما مفصولين بغشاء تبادل البروتونات (PEM) أو مفتوحين في جهاز ذو حجرة واحدة.
إلى جانب أجهزة الاستشعار عن بُعد ومراقبة البيئة، تُعَدّ خلايا الوقود الميكروبية ذات اهتمام لتطبيقات مثل الإلكترونيات القابلة للارتداء وأجهزة التشخيص الطبية. وهي مفيدة بشكل خاص في التطبيقات المستقلة التي لا تحتاج إلى الوصول إلى شبكة الطاقة الرئيسية.
البكتيريا، الطحالب، والعتائق هي بعض أنواع خلايا الوقود الميكروبية. عندما يتعلق الأمر بخلايا الوقود الفطرية، فقد دُرست الخمائر والفطريات المتحللة للخشب الأبيض، لكن لم تُدمج معاً حتى الآن.
الفطريات: مجال اهتمام متنامٍ
يركّز هذا المشروع البحثي الذي يمتد لثلاث سنوات على الفطريات، وهي كائنات حقيقية النوى، أي أن خلاياها تحتوي على عضيات محاطة بأغشية ونوى محددة بوضوح. لا تُصنّف الفطريات ضمن مملكة النباتات وتُميز عن جميع الكائنات الحية الأخرى.
الفطر هو الأكثر شهرة وسهولة في التعرف عليه. تشمل الأنواع الأخرى الخمائر، الصدأ، العفن، والفطريات. الفطريات موجودة في كل مكان: في التربة، والهواء، والبحيرات، والبحار، والنباتات، والحيوانات، والطعام، وجسم الإنسان. جنباً إلى جنب مع البكتيريا، تساعد على تحلل المادة العضوية وإطلاق الأكسجين والكربون والفوسفور والنيتروجين إلى التربة والغلاف الجوي.
في حياتنا اليومية، تُستَخدم عادةً في صنع الخبز، والنبيذ، والبيرة، وبعض أنواع الجبن، وكذلك في إنتاج أطعمة غنية بالبروتين. كما تُقدِّم الفطريات مساهمات مهمة في مكافحة الأمراض، لكنها في الوقت نفسه مسؤولة عن مسببات الأمراض.
ساعدتنا دراسات الفطريات على اكتساب معرفة أساسية في علم الأحياء وتستمر كمجال اهتمام لدراسة الخلية والبيولوجيا الجزيئية والهندسة الوراثية وغيرها من التخصصات الأساسية في علم الأحياء.
في المجال الطبي، تُعَدّ الفطريات السحرية ذات اهتمام خاص لأنها تحتوي على السيلوسيبين، وهو ألكالويد نفسي نشط طبيعي له تأثيرات هلوسية. كما شاركنا في مقالتنا الأخيرة، هناك انفجار في الأبحاث تستكشف استخدام السيلوسيبين لعلاج الاضطرابات النفسية والعقلية.
إن قدرة الفطريات على تحويل المواد العضوية إلى منتجات مفيدة قد أثارت الكثير من الاهتمام في التكنولوجيا الحيوية الفطرية أيضاً، حيث يمكن أن تساعد في تعزيز الانتقال إلى اقتصاد دائري قائم على المواد الحيوية.
من خلال تقديم حلول لتأمين، تثبيت، وتعزيز إمدادات الغذاء للسكان المتزايدين مع تقليل انبعاثات الغازات الدفيئة، تمتلك التكنولوجيا الحيوية الفطرية القدرة على إحداث مساهمة كبيرة في التخفيف من تغير المناخ.
بينما تحظى الفطريات باهتمام كبير في مجالات مختلفة، لا يمكن قول الشيء نفسه عن مجال علوم المواد، حيث لا تزال غير مُستكشفة بشكل كافٍ ومُستغلة بصورة قليلة، وهو ما قد يتغير أخيراً مع استخدام الباحثين للفطريات لتوليد الكهرباء.
الدراسة الأحدث تُظهر تطوير بطارية فطرية عاملة، وعلى الرغم من أنها لا تنتج الكثير من الكهرباء، إلا أنها يمكن أن تولد ما يكفي لتشغيل مستشعر درجة الحرارة لعدة أيام. تُستَخدم هذه الأنواع من المستشعرات في أبحاث البيئة أو في قطاع الزراعة.
على عكس البطاريات التقليدية، هذه البطارية الفطرية غير سامة تماماً وقابلة للتحلل، مما يجعلها خياراً صديقاً للبيئة.
البطارية الحيوية: الإلكترونيات الخضراء هنا
البطارية القائمة على المواد العضوية من المعامل الفدرالية السويسرية للعلوم والتقنية المادية، وهي مؤسسة بحثية موجهة لتطبيقات العلوم المادية والتقنية، سهلت عملية الأيض الفطري وتوليد الطاقة المرتبط به.
المصدر: ACS
الخلية الحية هنا هي خلية وقود ميكروبية. الميكروكائنات، مثل أي كائن حي، تحول المغذيات إلى طاقة، وتستَخدم خلايا الوقود الميكروبية (MFCs) هذا الأيض لإنتاج الطاقة ثم التقاط جزء منها ككهرباء.
كانت خلايا الوقود الميكروبية تُشغَّل في الغالب بواسطة البكتيريا حتى الآن، وعندها، وللمرة الأولى، دمج باحثو Empa “نوعين من الفطريات” يعمل أيضهما معاً بشكل جيد “لإنشاء خلية وقود عاملة”.
استخدم الباحثون فطر الخميرة على جانب الأنود، حيث يطلق أيضها الإلكترونات، واُستخدم فطر التحلل الخشبي الأبيض على جانب الكاثود، حيث ينتج إنزيمًا خاصًا يسمح بالتقاط الإلكترونات ثم يُطْرَح خارج الخلية.
دمج الباحثون الفطريات في البطارية كجزء أساسي من الخلية منذ البداية. استخدموا الطباعة ثلاثية الأبعاد لتصنيع مكوّنات البطارية الفطرية، مما أتاح لهم حرية هندسية كاملة لطباعة أجهزة بأشكال وأحجام تعسفية يمكن دمجها بسلاسة مع مكوّنات إلكترونية أخرى.
بهذه الطريقة، تمكنوا من هيكلة الأقطاب بطريقة تسمح للميكروكائنات بالوصول إلى المغذيات بأكبر قدر ممكن من السهولة.
الطريقة التي تمّ بها ذلك هي خلط خلايا الفطريات في حبر الطباعة. هذا يعني التغلب على تحدي ليس فقط العثور على مادة يمكن للفطريات أن تنمو فيها جيداً، بل أيضاً استخراج الحبر دون قتل الخلايا.
“بالطبع، نريد أن تكون موصلة كهربائياً وقابلة للتحلل.”
– غوستاف نيستروم، رئيس مختبر السليلوز ومواد الخشب
لجعلها موصلة كهربائياً، أضاف الفريق كربون أسود ورقائق جرافيت إلى الأحبار.
بفضل خبرتهم الواسعة في الطباعة ثلاثية الأبعاد للمواد اللينة القائمة على الكائنات الحية، استطاع الفريق إنتاج حبر قائم على السليلوز (أحبار هلامية فطرية) مناسب للمهمة. أشارت الدراسة إلى أن استخدام السليلوز في طباعة أقطاب الفطريات يُعد طريقة جديدة لتوجيه النشاط الأيضي للفطريات لاستخدامه المحتمل في الأجهزة الكهروكيميائية.
السليلوز هو بوليمر وفير، منخفض التكلفة، متجدد، وقابل للتحلل يُستخرج من الطحالب، البكتيريا، الخشب، والخلطات البحرية. وقد استُخدم بنجاح في تصنيع أنواع مختلفة من الإلكترونيات القائمة على المواد العضوية.
يمكن لخلايا الفطريات حتى استخدام السليلوز كمغذٍ، مما يساعد على تحلل البطارية بعد الاستخدام. ومع ذلك، كان المصدر الرئيسي للمغذيات هو السكريات البسيطة، التي تُضاف لاحقاً إلى خلايا البطارية.
“يمكنك تخزين البطاريات الفطرية في حالة جافة وتفعيلها في الموقع ببساطة عن طريق إضافة الماء والمغذيات.”
– الباحثة في Empa كارولينا رييس، أخصائية ميكروبيولوجيا
وفقاً للدراسة، يمكن لهذه البطاريات الحيوية إنتاج 300 إلى 600 ملي فولت لعدة أيام. بربط أربع بطاريات على التوازي، يمكن تشغيل مستشعر صغير لـ 65 ساعة.
طوّر الفريق موادًا، أحبارًا، وأجهزةً في أعمالهم السابقة لفرع جديد من الإلكترونيات الخضراء، بما في ذلك الشاشات، المستشعرات، البطاريات، والمكثفات الفائقة. مع هذه الدراسة، وسّعوا إمكانيات ما حققوه في تجاربهم السابقة، حيث قدموا أجهزة يمكنها تخزين الطاقة الكهربائية وتوليد الطاقة في نظام آمن بيئياً.
في المرحلة التالية، يهدف الباحثون إلى جعل البطارية الفطرية أكثر قوةً وطولاً في العمر، وكذلك جعل الجهاز قابلاً للطباعة ثلاثية الأبعاد بالكامل. كما سيتطلعون إلى فطريات أخرى أكثر ملاءمة لغرض توفير الكهرباء وجعل أجهزتهم جاهزة للاستخدام في التطبيقات العملية في الميدان.
الآن، دعونا نلقي نظرة على بعض اللاعبين الرئيسيين في أسواق البطاريات والطباعة ثلاثية الأبعاد.
1. Proto Labs, Inc.
مقدِّم خدمات التصنيع الرقمي الشاملة، تتخصص Proto Labs (PRLB ) في التصنيع المتقدم وخدمات الطباعة ثلاثية الأبعاد لتصنيع قطع مخصصة لعملائها.
بدأت Proto Labs هذا العام بتوسيع نطاقها إلى الإنتاج الكامل الخدمة، وهو ما تسميه الشركة “تطورًا طبيعيًا”. هذا سيترجم إلى تحسين مراقبة الجودة وخيارات تسعير أفضل مع التركيز على شهادات الصناعة، مما يسمح للشركة بخدمة العملاء من البداية حتى النهاية. وكان الدافع وراء هذا التوسع، وفقًا لإريك أتلّي، مدير هندسة تطبيقات الطباعة ثلاثية الأبعاد في Proto Labs، هو استحواذ 3D Hubs في 2021 الذي وسّع قاعدة حلولهم.
مع تزايد القلق العالمي بشأن الاستدامة، ومع سعي المستهلكين والشركات والجهات التنظيمية لتقليل بصمتهم البيئية عبر اختيار مواد معاد تدويرها، قدمت Proto Labs أيضًا مواد بلاستيكية مصنوعة من محتوى معاد تدويره إلى عروض CNC الخاصة بها. هذا يتيح للمستخدمين تجنّب استخدام مواد أولية في النمذجة دون تكلفة إضافية.
PRLB مخطط السعر
بقيمة رأس مال سوقية تبلغ 937.75 مليون دولار، تُتداول أسهم Proto Labs حاليًا عند 38.26 دولار، بانخفاض 2.12% منذ بداية العام. لديها ربحية السهم (EPS) (TTM) قدرها 0.94 ومضاعف السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) يبلغ 40.69.
للفترة الثالثة من 2024، أبلغت الشركة عن إيرادات قدرها 125.6 مليون دولار، بانخفاض 3.9% مقارنةً بإيراداتها القياسية البالغة 130.7 مليون دولار في نفس الربع من العام السابق. صافي الربح للربع كان 7.2 مليون دولار. وفي الوقت نفسه، كان التدفق النقدي التشغيلي الأعلى منذ 2020 قبل أن تستحوذ Proto Labs على 3D Hubs.
كان ربح السهم غير GAAP للربع الثالث 0.47 دولار، بينما تم الإبلاغ عن أن ربح السهم المعدل منذ بداية العام ارتفع بأكثر من 10% على أساس سنوي مع إيرادات ثابتة. إجمالاً، خدمت Proto Labs 22,511 اتصالًا مع العملاء. وكان رصيد النقد والاستثمارات، اعتبارًا من 30 سبتمبر 2024، 117.6 مليون دولار.
2. BYD Company Ltd. (BYDDF: OTCPK)
تُعَد شركة BYD الصينية أساسًا متخصصة في تصنيع وبيع معدات النقل، لكنها تشارك أيضًا في بناء بطاريات قابلة لإعادة الشحن، ومنتجات الطاقة الشمسية، والأجهزة الإلكترونية للاستخدام اليومي.
برأس مال سوقي يبلغ 105.57 مليار دولار، تُتداول أسهم BYD حاليًا عند 33.33 دولار، بانخفاض 1.99% منذ بداية العام. لديها ربحية السهم (EPS) (TTM) قدرها 1.66 ومضاعف السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) يبلغ 20.08، بينما عائد السهم هو 1.31%.
وفقًا لأحدث البيانات الصادرة، تحتل BYD المرتبة الثانية بحصة 23.19% في سعة بطاريات الطاقة المثبتة في الصين، والتي بلغت 17.49 جيجاواط ساعة. بينما بلغ إجمالي تركيب بطاريات الطاقة في البلاد 75.4 جيجاواط ساعة، بزيادة 57.3% على أساس سنوي. للعام الكامل 2024، احتلت BYD المرتبة الثانية بحصة 24.74%، بينما حافظت CATL على موقعها بنسبة 45.08%.
بصفتها المنتج الرائد للبطاريات القابلة لإعادة الشحن، تقدم BYD بطاريات ليثيوم-أيون، بطاريات نيكل-معدن هيدريد (NiMH)، وبطاريات NCM، التي لها مجموعة واسعة من الاستخدامات بما في ذلك الإلكترونيات الاستهلاكية، المركبات الكهربائية الجديدة، وتخزين الطاقة. النقطة الحرجة هنا هي أن الشركة تمتلك كامل سلسلة التوريد، مما يتيح لها تحكمًا أفضل في الجودة والتكلفة.
تستعد BYD الآن لإطلاق الجيل الجديد من بطارية Blade للمركبات الكهربائية هذا العام، والتي ستُستخدم في مركبات الشركة المستقبلية. تم تقديم الجيل الأول من بطارية Blade من قبل BYD في عام 2020، والجيل الحالي يُستخدم من قبل BYD لتشغيل مركباتها الكهربائية وكذلك من قبل صانعين آخرين مثل Tesla (TSLA ), Toyota (TM ), Ford (F ), Kia، وHyundai.
مقارنةً بالبطاريات الليثيوم-أيون التقليدية، تُعَدّ بطاريات الليثيوم-فوسفات (LFP) أكثر توفيرًا للتكلفة وساعدت BYD على تقديم نماذج سيارات كهربائية بأسعار معقولة ساهمت في نموها. الجيل التالي من بطاريات Blade سيكون أكثر تكثيفًا، كفاءة، أمانًا، وسيقدم مدى أكبر.
فيما يتعلق بأعمال الشركة في قطاع السيارات، باعت BYS عددًا قياسيًا من السيارات الكهربائية والهجينة عالميًا العام الماضي، بينما باعت منافستها الأكبر، Tesla، 4.3 مليون وحدة. باعت الشركة الصينية الأكثر مبيعًا للسيارات 1.76 مليون سيارة كهربائية صافية في 2024 بينما تواجه منافسة شديدة في السوق المحلي، مدفوعة بمئات المليارات من الدولارات في الإعانات الحكومية على مدار العقد الماضي.
أما بالنسبة لإيرادات الشركة، ففي الربع الثالث من 2024، سجل صانع السيارات الكهربائية الصيني، الذي أوقف إنتاج سيارات محركات البنزين في 2022، زيادة بنسبة 11.5% في صافي الربح إلى 1.63 مليار دولار بينما ارتفعت إيراداته بنسبة 24% على أساس سنوي إلى 28.24 مليار دولار.
الخلاصة
البطاريات، مكوّن أساسي في إلكترونيات اليوم، وكذلك السيارات الكهربائية، الشبكات الخلوية الذكية، ومهام الفضاء العميق، تدفع الثورة التقنية. ومع ذلك، يتطلب النفايات الإلكترونية المتزايدة بسرعة وتناقص المواد غير المتجددة تطوير منتجات تعتمد على الموارد الطبيعية المتجددة، وهو ما أصبح محور التركيز، كما رأينا اليوم مع تحول الباحثين إلى مواد عضوية مثل الفطريات لبناء البطاريات.
الفطريات، التي لطالما أغنت الحياة على الأرض وشكلت مستقبلنا، شهدت موجة متزايدة من الاهتمام بفضل قيادتها في إعادة التدوير وتحويل المواد. إنها تقدم حلولًا لتسريع الانتقال إلى اقتصاد دائري قائم على المواد الحيوية، وتقديم مفاهيم جديدة لضمان صحة الإنسان والنبات والحيوان.
بينما تم استكشاف الفطريات واستخدامها في الزراعة، والطب، والتكنولوجيا الحيوية، تُعَدّ الدراسة الأخيرة خطوة كبيرة إلى الأمام في مجال علوم المواد والكيمياء الكهروكيميائية الميكروبية. فهي تفعل ذلك باستخدام مواد صديقة للبيئة في بنائها وتخلق فرصًا لطباعة أقطاب فطرية قائمة على السليلوز لاستخدامها في خلايا الوقود الميكروبية.
تُعالج الاختراقات مثل هذه التحديات البيئية الملحة وتفتح آفاقًا جديدة لتصميم أنظمة تخزين طاقة عالية الأداء قائمة على المواد الحيوية، مما يساعدنا على الاقتراب من تحقيق اقتصاد مستدام ودائري حقًا.
