علوم المواد
البوليمرات الكهروضغطية – الاستفادة من الاهتزازات والضغوط الهيكلية للحصول على طاقة مجانية
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
قامت مجموعة من الباحثين بإنشاء فيلم بوليمري مملوء بمركب بيروفسكايت الكالكوجينيد الذي يولد الكهرباء عند تعرضه للضغط. تُعرف هذه الظاهرة بتأثير الكهروضغطية، وهو ببساطة قدرة بعض المواد على توليد شحنة كهربائية عندما يُطبق عليها إجهاد ميكانيكي.
يحدث تأثير الكهروضغطية في المواد التي تفتقر إلى تماثل بنية البلورة. تُعد البلورات والسيراميك والبوليمرات والمواد الحيوية مثل العظام والحمض النووي والبروتينات المختلفة أنواعًا مختلفة من المواد الكهروضغطية.
تتمتع هذه المواد بإمكانات جمع الطاقة المرتبطة بالاهتزازات الميكانيكية. أفضل ما في هذا النوع من الطاقة هو أنها موجودة حولنا بوفرة وهي متجددة بطبيعتها.
ومع ذلك، كما تشير ملاحظات البحث الأخيرة ملاحظات البحث، المواد الكهروضغطية ذات الأداء الأفضل تميل إلى احتواء عنصر الرصاص (Pb)، الذي يمكن أن يسبب السرطان، ويزيد من خطر أورام الدماغ، ويعيق إصلاح الحمض النووي.
المواد التي تحتوي على الرصاص خطرة، وقد قيد المنظمون استخدامها لحماية البيئة.
نظرًا لسُمية الرصاص، وهو معدن ثقيل قابل للطرق يتواجد طبيعيًا وله نقطة انصهار منخفضة نسبيًا، يتم استبعاده تدريجيًا من المواد والأجهزة.
لذلك، كان هدف الفريق هو إنشاء مادة خالية من الرصاص ويمكن تصنيعها بتكلفة منخفضة باستخدام عناصر شائعة في الطبيعة.
وبالتالي، استخدم فريق معهد رينسيلر للتقنية (RPI) مادة لا تحتوي على الرصاص وتُعد واحدة من القليل من المواد ذات الأداء العالي. لذا، فهي مرشح ممتاز للاستخدام في التطبيقات الطبية، والآلات، والبنية التحتية.
المادة الخالية من الرصاص التي استخدمها الفريق تنتمي إلى عائلة بيروفسكايت الكالكوجينيد التي تُظهر خصائص كهروضغطية. تم استخدام تركيبة BaZrS3 في الدراسة، والتي أُبلغ عن استجابتها الكهروضغطية الواضحة.
لقد حظيت بيروفسكايتات الكالكوجينيد باهتمام كبير وتطورات مؤخرًا. ترتبط هذه العائلة من المركبات بهياكل البيروفسكايت، التي تتمتع بالعديد من الخصائص المفضلة مثل السُمية المنخفضة، والاستقرار العالي، والطاقات الحزمية المباشرة، وقدرات نقل الحامل الجيدة، والامتصاص الضوئي القوي.
تجعل هذه الخصائص البيروفسكايتات تبرز في تطبيقات مثل الخلايا الشمسية، والكواشف الضوئية، وأجهزة الإضاءة، والمحولات الضوئية.
من المثير للاهتمام أن معظم المواد الكهروضغطية ذات الأداء العالي غير متماثلة مركزيًا وبالتالي تُظهر قابلية استقطاب عالية بطبيعتها. ومع ذلك، العديد من بيروفسكايتات الأكسيد، بما في ذلك تلك المستخدمة في الدراسة، تُظهر بنية بلورية متماثلة مركزيًا، وهي ضعيفة الكهروضغطية في شكلها النقي. هذه المركبات في الواقع غير قطبية لأنها تفتقر بطبيعتها إلى لحظة ثنائية القطب الصافية.
لحظة الثنائي القطب هي المصطلح العلمي للطريقة التي تؤدي بها المواد الكهروضغطية عندما تتعرض للإجهاد، أي التشوه بطريقة تُسبب فصل الأيونات الموجبة والسالبة داخل المادة. يمكن استغلال هذه اللحظة الثنائيّة القطب وتحويلها إلى تيار كهربائي.
ولكن بدون لحظة ثنائية القطب الصافية، كيف حقق الفريق الكهروضغطية؟ حسنًا، استغلوا التعبئة الفضفاضة داخل بنية بيروفسكايت الكالكوجينيد لتجاوز المشكلة.
تحجيم التقنية لتطبيقات الطاقة الخضراء
تفصل الدراسة الأخيرة أن المواد الخالية من الرصاص من عائلة بيروفسكايت الكالكوجينيد، على الرغم من تماثلها المركزي، تصبح قابلة للاستقطاب بسرعة كبيرة عند تشوهها. ويرجع ذلك إلى خلية وحدة معبأة بشكل فضفاض، تحتوي على مساحة فارغة كبيرة.
تسمح هذه الكمية الكبيرة من الفراغ بتمدد أكبر للأيونات، مما يؤدي بدوره إلى تقليل التماثل ويؤدي إلى تضخيم لحظة الثنائي القطب الناتجة عن الإزاحة.
أجرى الفريق مسحًا بالميكروسكوب القسري للاستجابة الكهروضغطية (PFM) على BaZrS3 لتأكيد الكهروضغطية للمادة.
يُعد PFM نموذجًا وظيفيًا للميكروسكوب القسري للذرات (AFM) وقد تم الاعتراف به لتقديمه معلومات فريدة حول الخصائص الكهروميكانيكية لمواد مختلفة على مقياس النانومتر.
وفقًا للفريق، يمكن كسر تماثل البنية في مادة بيروفسكايت الكالكوجينيد بسهولة تحت الضغط، مما يؤدي إلى استجابة كهروضغطية محسنة. لذا، بعد التأكد، طور الفريق مركبات من جسيمات BaZrS3 موزعة في بوليكابرو لاكتون.
المادة الجديدة التي تم تركيبها تحتوي على الباريوم والزركونيوم والكبريت، والتي استُخدمت لاحقًا لجمع الطاقة من حركة جسم الإنسان وتزويد الأجهزة الكهروكيميائية والإلكترونية بالطاقة.
اختبر الفريق قدرة المادة على توليد الكهرباء عن طريق تعريضها لحركات جسدية مثل الجري، المشي، نقر الأصابع، والتصفيق.
وُجد أن الكهرباء المنتجة خلال التجربة كافية لتشغيل بنوك LED، مما شكل كلمة RPI.
“نحن متحمسون ومتشجعون بنتائجنا وإمكانيتها في دعم الانتقال إلى الطاقة الخضراء.”
– نيكيل كوراتكار، المؤلف المشارك في الدراسة
وفقًا له، تحول المادة الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية. وفقًا لكوراتكار:
“كلما زاد الحمل الضغطي المطبق وزادت مساحة السطح التي يُطبق عليها الضغط، زاد التأثير.”
فيلم جمع الطاقة الذي أنشأه الفريق يبلغ سمكه 0.3 مليمتر فقط ويمكن دمجه في مختلف الآلات، الأجهزة، والهياكل مثل المباني والطرق السريعة لإنتاج الكهرباء عندما تهتز، أو عندما تمر المركبات فوقها.
كما تُظهر الاختبارات التي أجراها الفريق أن التقنية يمكن أن تكون مفيدة بطرق متعددة، بما في ذلك جهاز يُرتدى من قبل الدراجين أو العدائين يضيء الخوذ أو يعرض إشارات لجعلهم أكثر وضوحًا.
مع ذلك، لا يزال الأمر في الوقت الحالي مجرد إثبات مفهوم. يأمل الفريق أن “يرى في المستقبل هذه المادة تُطبق على نطاق واسع، حيث يمكنها حقًا إحداث فرق في إنتاج الطاقة”، كما قال كوراتكار.
الآن، في الخطوات التالية، سيفحص الباحثون كامل عائلة مركبات بيروفسكايت الكالكوجينيد للعثور على مادة تُظهر تأثيرًا كهروضغطيًا أقوى. لهذا، سيستخدم الفريق الذكاء الاصطناعي (AI) وتعلم الآلة (ML).
“إنتاج الطاقة المستدامة أمر حيوي لمستقبلنا”، قال شيخار غاردي، دكتوراه، عميد كلية الهندسة في RPI، مشيدًا بجهود فريق RPI في اكتشاف المواد التي يقول إن “يمكن أن تساعد في معالجة مشكلة عالمية”.
الأثر التحولي للكهروضغطية
تم التعرف على الكهروضغطية لأول مرة بواسطة جاك وبير كوري في عام 1880، واليوم تُستخدم الظاهرة على نطاق واسع في التطبيقات العملية. قدرتها على تحويل الطاقة الكهربائية والميكانيكية مباشرة تجعلها جذابة للغاية لتطبيقات مثل أجهزة جمع الطاقة.
أحد أكثر أمثلة الشائعة للكهروضغطية هو الولاعة الكهربائية. عند الضغط على الزر، يضرب رافعة الزنبرك بلورات الكهروضغطية، ويخلق هذا الإجهاد الميكانيكي تيارًا كهربائيًا ينتقل كشرارة لإشعال الغاز. يمكنك العثور على أمثلة للكهروضغطية في كل مكان في حياتك اليومية.
كما أوضحنا في مقالتنا السابقة، أصبحت الكهروضغطية مبدأً أساسيًا يُستخدم في التكنولوجيا الحديثة، بدءًا من الهواتف المحمولة والأجهزة القابلة للارتداء، وأنظمة التخميد، وحلول التنظيف إلى الفضاء الجوي، والسونار، وأدوات التشخيص الطبية، والمحركات.
نظرًا لاستخدامها الواسع، شهدت مجالها عدة تطورات. بدأ كل ذلك بتطوير السيراميك الكهروضغطي الشهير PZT (زركونيوم التيتانيوم الرصاصي) قبل نصف قرن تقريبًا، ثم بوليفينيلدين فلويد (PVDF) في عام 1964.
منذ ذلك الحين، يعمل الباحثون على تطوير مواد وتقنيات جديدة لتحسين كفاءة وتنوع الأجهزة الكهروضغطية. أحد التركيزات الرئيسية كان إنشاء بدائل صديقة للبيئة للسيراميك القائم على الرصاص مثل PZT بسبب القلق المتزايد بشأن سمية الرصاص، كما رأينا في الدراسة المذكورة أعلاه.
استكشف الباحثون موادًا مثل باريوم التيتانات (BaTiO₃) وكبريت الصوديوم البوتاسيوم (KNN) لهذا الغرض، والتي توفر خصائص كهروضغطية دون الأثر البيئي الضار للرصاص.
بالإضافة إلى ذلك، سمحت التطورات في المواد الكهروضغطية القائمة على البوليمرات مثل PVDF ومشتقاتها بدمجها في الأقمشة الذكية، وأجهزة الاستشعار، والزرعات الطبية.
تمت دراسة البوليمرات الكهروضغطية على نطاق واسع لجمع الطاقة بسبب مرونتها الداخلية وقدرتها على الانحناء، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات التي يتعين فيها على الجهاز الانحناء كثيرًا لتكاملها في الأجهزة القابلة للارتداء.
تمثل الإلكترونيات القابلة للارتداء ابتكارًا على الإلكترونيات التقليدية الصلبة، مقدمة حلولًا ثورية في الرعاية الصحية، والطاقة، وعلوم الأعصاب، والميتافيرس، والاستدامة. يسمح استخدام الكهروضغطية في هذه الأجهزة للشركات بتقليل الحاجة إلى الشحن المتكرر والبطاريات، مما يوفر للمستخدمين راحة الجهاز المحمول مع تحسين السلامة.
سمحت التطورات الأخيرة في تقنية النانو أيضًا بإنشاء مواد كهروضغطية ذات بنية نانوية، والتي تقدم أداءً محسّنًا بأحجام أصغر.
على سبيل المثال، يتم دراسة النقاط الكمومية، والأسلاك النانوية، والجرافين لإمكانيتها في تحسين حساسية وكفاءة أنظمة الكهروضغطية بشكل كبير، مما يجعلها مفيدة حقًا في تطبيقات مثل الإلكترونيات المرنة وتقنيات التصوير الجيلية.
كل هذه الابتكارات في المواد الكهروضغطية فتحت آفاقًا جديدة في مختلف الصناعات، ومع استمرار هذه التطورات، من المتوقع أن يشهد السوق العالمي للمواد الكهروضغطية نموًا كبيرًا.
انقر هنا لتعرف كيف تساعد محولات الطاقة الكهروضغطية في تقليل حجم اللوحات المطبوعة.
نمو هائل في المستقبل
عند الحديث عن السوق العالمي للمواد الكهروضغطية، من المتوقع أن ينمو من 1.52 مليار دولار في 2024 إلى 2.19 مليار دولار بحلول 2032.
في حين أن عمليات الصناعات الحيوية مثل الإلكترونيات وقطاع السيارات المحدودة أثرت بشكل كبير على الطلب على المواد الكهروضغطية، شهدت جائحة COVID-19 زيادة في الطلب على معدات مثل مقياس الأكسجة، مقياس الحرارة بالأشعة، مقاييس الحرارة الإلكترونية، وأجهزة التنفس الآلية، التي تستخدم مواد كهروضغطية لتحويل شكل من الطاقة إلى آخر. وهذا بدوره أثر على الطلب على هذه المواد خلال الأزمة، وفقًا لـ التقرير عن سوق المواد الكهروضغطية.
إقليميًا، من المتوقع أن ينمو السوق الأمريكي بشكل كبير، ليصل إلى قيمة تقديرية تبلغ 248.48 مليار دولار خلال السنوات الثماني القادمة، مدفوعًا بزيادة إنتاج الإلكترونيات وتكنولوجيا المعلومات وقطاع الاتصالات. سيساهم برنامج استكشاف الفضاء الواسع للبلاد أيضًا في هذا النمو.
في الوقت نفسه، يبلغ حجم سوق آسيا والمحيط الهادئ 0.99 مليار دولار، مع حصة سوقية تبلغ 68.28٪ في 2023. يعود هذا الهيمنة إلى ظهور آسيا والمحيط الهادئ كمركز تصنيع للإلكترونيات والسلع الاستهلاكية، حيث تركز كل من الصين واليابان وتايوان والهند وكوريا الجنوبية على توسيع قدرات الإنتاج لديها.
في حين أن سوق المواد الكهروضغطية في أمريكا اللاتينية لا يزال في مراحله الأولى، لوحظ زيادة الطلب في الشرق الأوسط وأفريقيا بسبب توسع قطاعي الرعاية الصحية والإلكترونيات في تلك المناطق.
من حيث التطبيقات، يُقسم سوق المواد الكهروضغطية إلى حساسات، رنانات، مولدات ومحولات، مشغلات، محولات، سونار، أجهزة صوتية، محركات، وغيرها.
من بين هذه الفئات، من المتوقع أن يتوسع قطاع الحساسات بمعدل نمو سنوي مركب كبير بفضل تطبيق التقنية في مجالات متعددة، بما في ذلك الإلكترونيات الاستهلاكية، خطوط التصنيع، والمركبات الذاتية.
في الوقت نفسه، من المتوقع أن تشكل المشغلات، التي تحول الإشارات الكهربائية المرسلة من النظام إلى طاقة ميكانيكية للتحكم من أجل تنفيذ إجراء محدد، أكبر حصة في سوق المواد الكهروضغطية، مدفوعةً بتطبيقها في أذرع الروبوتات، والتحكم الدقيق في أدوات التصنيع الصناعي، وأنظمة فرملة وتسارع المركبات.
من المتوقع أن تحافظ السلع الاستهلاكية مثل الميكروويف، التلفزيونات، الغسالات، والألعاب التي تُتحكم فيها عن بُعد، والتي تستخدم مواد كهروضغطية للتحكم وتشغيل هذه المنتجات، على صدارتها في السوق العالمية. ويتأخر وراءها قطاع السيارات، الذي من المتوقع أن ينمو بمعدل نمو سنوي مركب مستقر.
الشركات التي تستخدم تقنيات الكهروضغطية
عند الحديث عن الشركات التي تدفع هذا المجال قدمًا، لدينا USound، التي تستخدم مكبرات الصوت MEMS تأثير الكهروضغطية، وNoliac، التي تطور مشغلات، مولدات، ومحولات كهروضغطية.
تُعد Kinetic Ceramics شركة أخرى تتخصص في المشغلات الكهروضغطية، الصمامات الكهروضغطية، المضخات الصلبة، التصنيع الدقيق، الأنظمة الذكية، وأنظمة التحكم في الحركة.
تقنيات بيزو لشركة Amphenol Corporation (APH ) أيضًا تتخصص في مواد السيراميك الكهروضغطي والمحوّلات فوق الصوتية. تشمل منتجاتها أيضًا الأجهزة، التجميعات، والأنظمة المستخدمة في الفضاء الجوي، الدفاع، السيارات، النقل، والهندسة المدنية.
شركة CTS (CTS ) تصنع منتجات كهروضغطية عبر قطاعات التكنولوجيا الطبية، الفضاء الجوي، والصناعية. أسهم الشركة ذات القيمة السوقية البالغة 1.43 مليار دولار تتداول حاليًا عند 47.21 دولار، بارتفاع 7.93٪ منذ بداية العام (YTD). لديها ربحية السهم (EPS) (TTM) قدرها 1.77 ونسبة السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) 26.66، وتدفع عائد توزيعات بنسبة 0.34٪.
CTS مخطط السعر
تقنيات L3Harris
توفر هذه الشركة حلول تقنية شاملة تربط بين المجالات الجوية، الفضائية، البرية، البحرية، والفضاء السيبراني. كما تصمم أشكال سيراميك كهروضغطية لتطبيقات مختلفة في مجالات السونار العسكري والصوتيات، التصوير الطبي، علاج السرطان، وجمع الطاقة. تتمتع L3Harris بأكثر من 70 عامًا من الخبرة في علم المواد لتصنيع سيراميك كهروضغطي عالي الأداء، بما في ذلك مواد PZT، PT، وPMN للعملاء العسكريين والتجاريين.
تتميز تركيبات مسحوق السيراميك الكهروضغطي للشركة بأنها موحدة، عالية الأداء، دقيقة الحبيبة، وكثيفة، مما يجعلها مناسبة لمجموعة واسعة من الاستخدامات، بما في ذلك المحولات والمواد المخصصة للغاية التي تدعم علاج السرطان، توصيل الأدوية، التصوير، والعناية بالجروح. تجمع السيراميك الكهروضغطي من L3Harris الطاقة من الضغط أو الاهتزاز الذي كان سيُهدر، وبالتالي يساعد في تقليل الاعتماد على البطاريات من خلال توفير الطاقة لشبكات الاستشعار اللاسلكية.
LHX مخطط السعر
في وقت كتابة هذا المقال، كانت أسهم LHX تتداول عند 248.15 دولار، بارتفاع 17.82٪ هذا العام حتى الآن، مما يضع قيمتها السوقية عند 47 مليار دولار. وبذلك، فإن ربحية السهم (EPS) (TTM) هي 6.25 ونسبة السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) 39.72 مع دفع عائد توزيعات بنسبة 1.87٪. بينما ستصدر تقنيات L3Harris نتائج الربع الثالث 2024 في الأيام القادمة، بالنسبة للربع الثاني 2024، أعلنت الشركة عن إيرادات بلغت 4.5 مليار دولار، بزيادة 13٪، بينما كان هامش التشغيل 9٪.
“حققنا ربعًا ماليًا قويًا آخر مع هوامش محسنة، مما يعكس التزامنا بالتميز التشغيلي وتركيزنا المستمر على التنفيذ الذي يضيف قيمة لعملائنا ومساهمينا.”
– الرئيس التنفيذي كريستوفر إي. كوباسيك
الخلاصة
من أضواء الشوارع التي تُشغل بحركة المرور إلى الأرضيات القادرة على تزويد إضاءة المبنى بالطاقة إلى الإطارات التي تشحن المركبة، تمتلك المواد الكهروضغطية القدرة على إحداث ثورة في قطاع الطاقة النظيفة. ومع ذلك، حتى هذه المواد ليست خالية من التحديات، لذا تم تطوير مواد كهروضغطية خالية من الرصاص.
تُعد هذه المواد الجديدة، مثل بيروفسكايت الكالكوجينيد، تقدمًا كبيرًا في تقنيات جمع الطاقة المستدامة. بفضل سُميتها المنخفضة، استقرارها العالي، وتعزيز استجابتها الكهروضغطية تحت الضغط، يمكنها المساعدة في تحقيق إمكانات المواد الكهروضغطية فعليًا وإحداث ثورة في توليد الطاقة. ومع استمرار الباحثين في استكشاف هذه المواد الجديدة باستخدام الذكاء الاصطناعي، يمكن لهذا المجال تمهيد الطريق للابتكارات في الأجهزة الطبية الحيوية، البنية التحتية، والتقنية القابلة للارتداء بطريقة مستدامة.
انقر هنا لتعرف كيف تسمح التطورات في المركبات الكهروضغطية بجمع وتفسير الطاقة الحركية.
