إعادة تصور صناعة الفحم من خلال نقاط الكربون

في ديسمبر 2023، وافقت 198 دولة موقعة في مؤتمر الأطراف (COP) بشكل جماعي على أن العالم يجب أن “ينتقل” بعيدًا عن الوقود الأحفوري مثل الفحم بطريقة “عادلة ومنظمة ومنصفة” من أجل خفض انبعاثات الغازات الدفيئة إلى ما يقرب من الصفر بحلول عام 2050. ومع ذلك، لا توجد جداول زمنية بعد، لذا سيظل الوقود الأحفوري ركيزة للاقتصادات في جميع أنحاء العالم في السنوات القادمة.

الفحم هو المصدر الأكثر سيطرةً والأكثر كثافةً بالكربون للطاقة في العالم. تشمل الأنواع الأربعة الرئيسية للفحم:

(i) أنثراسيت
(ii) بيتومين
(iii) سوببيتومين
(iv) لينيت

هذا الوقود الأحفوري يمثل أكثر من 37٪ من إمدادات الكهرباء العالمية، ويلعب دورًا أساسيًا في تزويد المنازل والصناعات بالطاقة وتخفيف فقر الطاقة في العالم. حتى اليوم، يعيش حوالي 860 مليون شخص حول العالم بدون كهرباء. وبالتالي، لا يمكن تصور الحياة الحديثة دون الفحم.

وصل استهلاك الفحم العالمي فعليًا إلى مستوى قياسي في عام 2023 حيث ارتفع الطلب على الوقود الأحفوري بنسبة 1.4٪ خلال العام لتجاوز 8.5 مليار طن متري للمرة الأولى، أفادت وكالة الطاقة الدولية (IEA). من المتوقع أن يظل استهلاكه العالمي فوق 8 مليارات طن متري في عام 2026.

الفحم هو مورد أساسي لمواجهة تحدي الزيادة السريعة في استهلاك الطاقة لأنه أرخص بكثير وأكثر توفرًا من الوقود الأحفوري الآخر. وعلى عكس النفط والغاز، يمكن العثور عليه بوفرة في جميع أنحاء العالم.

ما يميز الفحم أنه لا يتطلب خطوط أنابيب عالية الضغط، أو عمليات معالجة مكلفة، أو حماية باهظة الثمن أثناء النقل، مما يجعله أسهل في التخزين والنقل مقارنة بالوقود الأحفوري القابل للاشتعال العالي. أيضًا، قبل الاستخدام، يحتاج الفحم فقط إلى التعدين، على عكس الوقود الأحفوري الآخر الذي يتطلب عملية تكرير طويلة ومكلفة.

وبالإضافة إلى ذلك، توزع احتياطيات الفحم بشكل أكثر مساواة حول الكوكب. اعتبارًا من يناير 2020، تمتلك الولايات المتحدة أكبر احتياطيات الفحم في العالم، مما يشكل ما يقرب من 90٪ من جميع احتياطيات الوقود الأحفوري، بتقدير 250 مليار طن.

إلى جانب كونه أرخص وأكثر توفرًا، فإن الفحم أيضًا متعدد الاستخدامات ويمكن استعماله في مجموعة من العمليات. يُستخدم الفحم أساسًا لتوليد الطاقة الكهربائية في جميع أنحاء العالم وهو في الواقع شكل ميسور التكلفة من الطاقة، حيث أن الكهرباء المولدة من الفحم أقل تكلفة من الكهرباء المولدة من مصادر أخرى.

حتى في الولايات المتحدة، يُستخدم الفحم لإنتاج الكهرباء عن طريق حرق الوقود الأحفوري في محطات الطاقة. يُستَغل الحرارة الناتجة لتحويل الماء إلى بخار عالي الضغط، الذي يدير التوربين، ومن ثم ينتج الكهرباء. في عام 2019، تم توليد حوالي 23٪ من إجمالي الكهرباء في الولايات المتحدة من محطات الفحم، وفقًا لإدارة معلومات الطاقة الأمريكية.

يُستخدم هذا الوقود الأحفوري أيضًا في إنتاج الصلب والخرسانة وهو مكوّن أساسي في صهر الحديد، وكذلك في معادن أخرى مثل الألمنيوم والنحاس. تُستَخدم الفحم ومشتقاته أيضًا في فلاتر المياه وأنظمة تنقية الهواء، وفي بناء الطائرات والسيارات، وفي الأدوية، وفي العمليات الكيميائية لاستخراج العناصر الأرضية النادرة.

ثم توجد حالات استخدام الغازنة والسائلنة للفحم، حيث تقع غالبية مشاريع تحويل الفحم إلى غاز في الولايات المتحدة والصين، مع عدد قليل في أستراليا وكندا والهند وجنوب أفريقيا وإندونيسيا. بالإضافة إلى إنتاج الكتل الكيميائية مثل الأمونيا والميثانول واليوريا، يُستخدم الفحم أيضًا في صناعات الورق والنسيج والزجاج. إلى جانب تصنيع ألياف الكربون، يوفر مكونات مثل معادن السيليكون التي تُستَخدم في إنتاج مكونات لقطاعات العناية الشخصية والمنزلية.

على الرغم من وفرة الفحم وتكلفته المنخفضة وموثوقيته، تواجه الصناعة تحديات في شكل تطوير تقنيات ومسارات للوصول إلى صافي الانبعاثات صفر، وهو ما يُعد عاملاً في تغير المناخ.

انقر هنا لتعرف ما إذا كان الوقاية أو العلاج هو السبيل لمواجهة ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي.

إعادة تقييم الدور الاقتصادي للفحم

مع تعهد الدول حول العالم بالانتقال إلى وسائل إنتاج طاقة أخرى بسبب مساهمتها في تغير المناخ، يبحث الباحثون والعلماء عن طرق أخرى لاستغلال الفحم.

لإعادة تقييم الدور الاقتصادي للوقود الأحفوري، اجتمعت شركة تايوان لتصنيع أشباه الموصلات، ومختبر الطاقة الوطنية، وجامعة إلينوي في أوربانا-شامبين، ومختبر أوك ريدج الوطني في جهد بحثي مشترك لتوضيح الدور الحاسم الذي يمكن أن يلعبه الفحم في الأجهزة الإلكترونية من الجيل التالي.

في السنوات الأخيرة، تم إجراء الكثير من الأبحاث في مجال المواد ثنائية الأبعاد بسبب خصائصها الكهربائية والبصرية والميكانيكية. يفتح تصنيع مجموعة من المواد الثنائية الأبعاد ذات الطبقة الذرية رفيعة منصة جديدة للمواد طبقة بطبقة تمكّن من استكشاف خصائص غير معروفة، واعدة بمجموعة من التقنيات الجديدة.

تتمتع أشباه الموصلات ذات الطبقة الثنائية الأبعاد بميزات مثل التنقل العالي، والتبديل منخفض الطاقة، وفجوة طاقة نسبياً كبيرة، وتوافر طرق نمو على مساحات واسعة، مما يجعلها مرشحًا واعدًا للجيل التالي من الإلكترونيات. الآن، يُجرى تجربة استخدام الفحم في مثل هذه الإلكترونيات.

«عادةً ما يُنظر إلى الفحم على أنه شيء ضخم وقذر، لكن تقنيات المعالجة التي طورناها يمكنها تحويله إلى مواد عالية النقاء بسمك بضع ذرات فقط.»

– قال تشينغ كاو، أستاذ علوم المواد والهندسة في جامعة إلينوي الذي شارك في قيادة الجهد.

كما أشار إلى أنّ:

«هياكلها الذرية الفريدة وخصائصها مثالية لصنع أصغر الإلكترونيات الممكنة بأداء يتفوق على أحدث التقنيات.»

في إطار هذا التعاون، طور الباحثون عملية حولت فحم الفحم إلى أقراص كربونية صغيرة جدًا، تُسمى «نقاط الكربون».

كما أظهر فريق البحث، يمكن ربط هذه الأقراص الكربونية النانوية لإنشاء أغشية رقيقة ذريًا. يمكن استخدام هذه الأغشية في تطبيقات تقنيات مثل الترانزستورات الثنائية الأبعاد (2D) والذاكرات المقاومة (memristors). وفقًا للباحثين، ستكون هذه التقنيات حاسمة في بناء إلكترونيات أكثر كفاءة.

بينما تلعب المواد القائمة على الكربون، سواء كان ذلك الكربون الصناعي التقليدي مثل الكربون الأسود أو الكربون الصناعي الجديد مثل الجرافيت وألياف الكربون، دورًا مهمًا في تطوير علم المواد، لا يمكن استخدام المادة الكربونية الماكروسكوبية كمواد فلورية فعّالة بسبب نقص فجوة الطاقة المناسبة. هنا تظهر نقاط الكربون (CDs) كحل واعد.

نقاط الكربون أو CDs هي نوع جديد من المواد النانوية القائمة على الكربون التي حظيت باهتمام وبحث واسع بسبب خصائصها الفيزيائية والكيميائية المتنوعة. تُصنع نقاط الكربون بدقة وعادةً ما تكون أصغر من 10 نانومتر. تتميز هذه المادة النانوية بميزات مثل الحجم الصغير، الصديقة للبيئة، التكلفة المنخفضة، السمية القليلة، الاستقرار العالي، التوافق الحيوي الجيد، حركة الإلكترونات، الكفاءة الكمومية العالية، وفرة المجموعات الوظيفية، وخصائص بصرية فريدة تشمل الامتصاص القوي، الفلورية الضوئية، والفسفورية.

كل هذه الصفات تجعل هذه المادة الجديدة في عائلة الكربون شائعة جدًا ولها العديد من التطبيقات. تشمل ذلك:

• أجهزة استشعار
• تشفير المعلومات
• التحفيز الضوئي
• الصمامات الضوئية (LEDs)
• استشعار كيميائي
• الخلايا الشمسية
• المكثفات الفائقة
• البطاريات القابلة لإعادة الشحن
• التصوير الحيوي
• العلاج الضوئي
• توصيل الجينات
• توصيل الأدوية
• كشف المتفجرات
• الطب النانوي
• سلامة الغذاء
• مكافحة التزوير

تعرف على كيف يمكن أن يكون الميثان هو المفتاح لتحقيق أهداف المناخ.

الفحم يلعب دورًا حيويًا في الإلكترونيات من الجيل التالي 

يعمل الباحثون والعلماء حول العالم على تصنيع إلكترونيات أصغر وأسرع وأكثر تقدمًا. وهذا يعني أن الأجهزة المصنوعة من مواد بسمك ذرة أو ذرتين فقط تعمل بسرعة أكبر وتستهلك طاقة أقل بكثير.

نحو هذه الأجهزة، أُجريت العديد من الدراسات حول أشباه الموصلات الفائقة الرقة أشباه الموصلات، ولكن الآن يلزم إجراء أبحاث واسعة على العوازل الرقيقة ذريًا من أجل بناء أجهزة إلكترونية عاملة مثل الترانزستورات والذاكرات المقاومة.

عند الحديث عن المواد، تُقسم إلى موصلات، وأشباه موصلات، وعوازل بناءً على قدرتها على توصيل التيار الكهربائي. تُسمى المواد مثل النحاس، والنحاس الأصفر، والفولاذ، والذهب، والألمنيوم التي توصل الكهرباء بسهولة بسبب انخفاض المقاومة الكهربائية بالموصلات.

العوازل هي مواد مثل الزجاج، والهواء، والخشب، والبلاستيك، والمطاط، التي لا توصل الكهرباء بسهولة. في حين أن مواد مثل السيليكون (Si)، والجرمانيوم (Ge)، والسيلينيوم (Se)، وكذلك مركبات مثل غاليوم أرسينيد (GaAs) وإنديوم أنتيمونيد (InSb)، لها قيمة توصيل كهربائي تقع بين الموصل والعازل.

تنخفض مقاومة أشباه الموصلات مع ارتفاع درجة الحرارة، بينما يزداد توصيلها مع ارتفاع الحرارة.

للعوازل مجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك عزل الجدران لتنظيم تدفق الحرارة، وعزل الأفران كحواجز حرارية وكهربائية، وعزل الصوت لمنع الضوضاء، والعزل الكهربائي في دوائر المنازل والمكثفات في السلع التجارية والاستهلاكية. كما أن أشباه الموصلات موجودة حولنا، مثل الترانزستورات الصغيرة الموجودة في كل جهاز تقريبًا، والخلايا الشمسية المستخدمة في الألواح الشمسية لتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء.

في العوازل، الفجوة الطاقية بين نطاقات التكافؤ والتوصيل كبيرة جدًا (حوالي 15 eV) بينما في أشباه الموصلات، هذه الفجوة صغيرة جدًا (حوالي 1 eV).

وفقًا لأحدث دراسة، يمكن أن تعمل طبقات الكربون الرقيقة ذريًا ذات البنية الذرية غير المرتبة كعازل ممتاز لبناء أجهزة ثنائية الأبعاد، والتي أنشأها الفريق من نقاط الكربون المستخرجة من فحم الفحم.

الآن، لإظهار إمكانات طبقات الكربون المستخرجة من الفحم، استخدم الباحثون هذه الطبقات كعازل للبوابة في الترانزستورات الثنائية الأبعاد. بُنيت على شبه موصل موصل molybdenum disulfide، أنشأ الفريق جهازًا يعمل بسرعة تفوق الضعف مع استهلاك طاقة أقل.

هذه الطبقات الكربونية المستخرجة من الفحم لا تحتوي على “روابط معلقة”، والتي تكون وفيرة على أسطح العوازل ثلاثية الأبعاد التقليدية. من خلال عملها كـ “فخاخ” فعالة، تُغيّر الخصائص الكهربائية للعوازل ثلاثية الأبعاد، مما يبطئ نقل الشحنات المتنقلة وبالتالي يؤثر على سرعة تبديل الترانزستور.

ومع ذلك، فإن الطبقات الكربونية المستخرجة من الفحم، على عكس المواد الرقيقة الذرية الأخرى، هي غير متبلورة، وتسمح التيارات الكهربائية غير المرغوبة بالمرور عبر العازل، مما يؤدي إلى استهلاك طاقة إضافي كبير أثناء تشغيل الجهاز. قال السيد تشينغ كاو:

«إنه أمر مثير حقًا، لأن هذه هي المرة الأولى التي يُربط فيها الفحم، وهو شيء نراه عادةً كتقنية منخفضة، مباشرةً بأحدث تقنيات الميكروإلكترونيات.»

تطبيق آخر أظهره الباحثون هو الذاكرات المقاومة (memristors)، وهي مكونات إلكترونية يمكنها تخزين ومعالجة البيانات، مما يحسن بشكل كبير تنفيذ الذكاء الاصطناعي (AI). تخزن هذه الأجهزة البيانات وتمثلها عن طريق تعديل خيط موصل.

باستخدام طبقات الكربون الفائقة الرقة كعازل، تمكن الباحثون من تحقيق تكوين سريع لهذا الخيط مع استهلاك طاقة منخفض، مما مكن الجهاز من العمل بسرعة عالية وبطاقة منخفضة. بالإضافة إلى ذلك، تحجز حلقات بحجم ذري في هذه الطبقات الكربونية المستخرجة من الفحم الخيط لتحسين عمليات الجهاز المتكررة وزيادة موثوقية تخزين البيانات.

تُظهر هذه الأجهزة الجديدة أن طبقات الكربون المستخرجة من فحم الفحم يمكن استخدامها في الأجهزة الثنائية الأبعاد. في الخطوة التالية، سيتجه الجهد التعاوني نحو تطوير “عملية تصنيع لعوازل كربونية مستندة إلى الفحم” يمكن تطبيقها على نطاق واسع.

الاستفادة من النهج الجديد 

بينما ينتقل العالم بعيدًا عن الكربون بسبب التركيز المتزايد على خفض انبعاثات الغازات الدفيئة، يمكن للبحوث الجارية في الصناعة لإعادة تقييم الكربون أن تسمح لصناعات مختلفة، مثل مصنعي أشباه الموصلات، بالاستفادة من أشكاله الجديدة في المستقبل. لذا، دعونا نلقي نظرة على بعض الشركات التي يمكنها تبني مثل هذه النهج.

#1. تايوان لتصنيع أشباه الموصلات 

هذه هي أكبر شركة تصنيع شرائح في العالم التي تستخدم أكثر تقنيات العملية تقدمًا في الصناعة. تُعرف شركة تايوان لتصنيع أشباه الموصلات بخدمة احتياجات العديد من العملاء البارزين، بما في ذلك NVIDIA (NVDA ) و AMD و Intel (INTC ) و Apple. يغطي نطاق تطبيقات منتجات الشركة الصناعة الكهربائية الواسعة، وقد توسعت ببطء في جميع أنحاء العالم مع مصانع تمتد عبر ثلاث قارات.

بقيمة سوقية تبلغ 530.26 مليار دولار، يتم تداول أسهم TSM حاليًا عند 101.40 دولار، بانخفاض 1.69٪ منذ بداية العام (YTD). سجلت الشركة إيرادات للاثني عشر شهرًا الأخيرة (TTM) قدرها 69.84 مليار دولار مع ربحية السهم (EPS) للـ TTM بقيمة 5.36، ونسبة السعر إلى الأرباح (P/E) للـ TTM بـ 19.08، والعائد على حقوق الملكية (ROE) للـ TTM بـ 29.43٪. كما تدفع تايوان لتصنيع أشباه الموصلات عائد توزيعات بنسبة 1.88٪.

#2. شركة NVIDIA 

تطوّر هذه الشركة الأجهزة والبرمجيات للألعاب، وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، ومراكز البيانات، والتطبيقات، وتشتهر بشكل خاص بإنشاء وحدات معالجة الرسومات (GPUs) لمجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك الألعاب، وتعدين العملات الرقمية، والذكاء الاصطناعي.

مؤخرًا، كشفت Nvidia عن معالج الرسومات المكتبي الجديد، سلسلة GeForce RTX 40 SUPER، لعشاق ألعاب الفيديو وكذلك لتشغيل تطبيقات الذكاء الاصطناعي محليًا. كما توسّع Nvidia حضورها في قطاع السيارات الكهربائية الصيني حيث أعلنت أن أربع علامات تجارية صينية للسيارات الكهربائية ستستخدم تقنيتها لأنظمة القيادة الآلية.

بقيمة سوقية تبلغ 1.29 تريليون دولار، يتم تداول أسهم NVDA حاليًا عند 522.58 دولار، بارتفاع 5.5٪ منذ بداية العام (YTD). سجلت الشركة إيرادات للاثني عشر شهرًا الأخيرة (TTM) قدرها 44.87 مليار دولار مع ربحية السهم (EPS) للـ TTM بـ 7.57، ونسبة السعر إلى الأرباح (P/E) للـ TTM بـ 68.99، والعائد على حقوق الملكية (ROE) للـ TTM بـ 69.17٪. كما تدفع Nvidia عائد توزيعات بنسبة 0.03٪.

#3. شركة Advanced Micro Devices, Inc. 

هذا المصمم للمعالجات المركزية (CPU) ووحدات معالجة الرسومات (GPU) هو أحد أكبر شركات الشرائح التي أعلنت مؤخرًا عن سلسلة Ryzen 8000G، التي تتضمن Ryzen 7 8700G، والتي تقول AMD إن لديها أسرع مسرّع رسومات مدمج. في الوقت نفسه، تستهدف سلسلة Radeon الأخيرة من AMD سوق اللاعبين من الفئة المتوسطة والمنخفضة.

بقيمة سوقية تبلغ 236.154 مليار دولار، يتم تداول أسهم AMD حاليًا عند 145.21 دولار، بانخفاض 0.83٪ منذ بداية العام (YTD). سجلت الشركة إيرادات للاثني عشر شهرًا الأخيرة (TTM) قدرها 22.11 مليار دولار مع ربحية السهم (EPS) للـ TTM بـ 0.13، ونسبة السعر إلى الأرباح (P/E) للـ TTM بـ 1,152.84، والعائد على حقوق الملكية (ROE) للـ TTM بـ 0.38٪.

الخلاصة

إذن، كما نرى، يتم تحويل صناعة الفحم من خلال العلماء والباحثين الذين يعملون على كشف قيمتها والدور الذي تلعبه من خلال إنشاء نقاط الكربون التي تُظهر بعض الخصائص الفريدة التي يمكن أن تجعلها مفيدة حقًا في الجيل التالي من الأجهزة الإلكترونية. بهذه الطريقة، يمكن لصناعة الفحم أن تساعد في تشكيل مستقبل التقنيات الإلكترونية بطريقة مستدامة.