هل تتخيل كمبيوتر محمول يعمل ببطارية ميثان؟
هل تتخيل كمبيوتر محمول يعمل ببطارية ميثان؟
علماء المواد يكشفون النقاب عن خلايا وقود ميثان صغيرة تعمل في درجات حرارة منخفضة.
Methane-Powered Laptops? Materials Scientists Unveil Tiny, Low-Temperature Methane Fuel Cells
المركز العلمي للترجمة: ان جعل خلايا الوقود عملية وذات أسعار معقولة لن يحدث بين عشية وضحاها. غير أنه قد لا يستغرق وقتا اطول.
مجموعة من الباحثين بقيادة Shriram Ramanathan في كلية هارفارد للهندسة والعلوم التطبيقية متفائلون بشكل متزايد حول الجدوى التجارية لهذه التكنولوجيا وذلك نتيجة للتقدم في الأجهزة ذات البنية النانومترية، وانخفاض درجات حرارة التشغيل، واستخدام مصدر وقود متوافر ومواد أرخص.
Ramanathan، وهو خبير ومبتكر في مجال تطوير خلايا وقود الأكاسيد الصلبة solid-oxide fuel cells (SOFCs), ، يقول ان هذه الخلايا قد تصبح في القريب العاجل البديل التكنولوجي لتلك المتوافرة حاليا.
منذ فترة طويلة ينظر العالم لخلايا الوقود الكهروكيميائية على أنها البديل المحتمل الصديق للبيئة للوقود الاحفوري — وخصوصا أن العوادم التي تخلفها معظم خلايا وقود الأكاسيد الصلبة (SOFCs)لا تتعدى الماء كثيرا.
العقبات التي تحول دون استخدام هذه الخلايا لشحن أجهزة الكمبيوتر المحمول والهواتف أو مركبات الجيل المقبل من السيارات والشاحنات ما هي الا الموثوقية، ودرجة الحرارة، والتكلفة.
خلايا الوقود (SOFCs) تعمل عن طريق تحويل الطاقة الكيميائية (من الهيدروجين أو الوقود الهيدروكربوني مثل الميثان) إلى تيار كهربائي. تنتقل أيونات الأكسجين عبر الاكترولايت من القطب السالب نحو القطب الموجب، حيث تقوم بأكسدة الوقود معطية تيار من الإلكترونات يتحرك عائدا نحو الكاثود.
قكرة عمل خلايا وقود الاكاسيد الصلبة (SOFCs) هذه قد تبدو بسيطة من حيث المبدأ، ولكن حتى الآن فان هذه الخلايا ملائمة للاستخدام في المختبر وليس في المكتب أو المرآب. في دراستين نشرتا في مجلة مصادر الطاقة (power sources) في هذا الشهر نوفمبر من العام الحالي 2010 ، تحدث فريق Ramanathan عن احراز تقدم حاسم في مجال تكنولوجيا خلايا وقود الحالة الصلبة (SOFCs)و الذي قد يسرع وتيرة وصولها الى السوق.
في ورقة البحث الأولى ،عرضت مجموعة Ramanathan خلايا ( (SOFCs مستقرة الأداء مبنية من أغشية رقيقة من السيراميك خالية من أي البلاتين.
في هذه الخلايا، يتم تقليل كمية الالكتروليت المسنخدم في الخلايا لتصل لجزء من مئة أو حتى من ألف من الكمية المعتادة، وذلك باستخدام طبقات متراصة من أفلام السيراميك الخاصة، سمك كل منها في حدود النانومترات . هذه الخلايا الميكروية عادة ما تتضمن أقطاب البلاتين، مما يجعلها مكلفة وغير موثوقة.
يوضح Ramanathan: إذا كنت تستخدم أقطاب معدنية مسامية، فإنها بطبيعتها لا تكون مستقرة على مدى فترات طويلة من الزمن، وتبدا في تكوين تكتلات من المادة متسببة في حدوث قطع للتيار و دوائر مفتوحة خلال خلايا الوقود.”
استطاع Ramanathan في خلاياه الجديدة الميكروية الخالية من البلاتين من حل هذه المشكلة، مما أسفر بدوره عن انخفاض التكلفة وزيادة موثوقيتها.
في ورقة البحث الثانية التي نشرت هذا الشهر، عرض فريق Ramanathan خلايا وقود اكسيد صلبة(SOFCs) ميكروية تستخدم الميثان كوقود وتعمل في درجات حرارة أقل من 500 درجة مئوية، وهو انجاز نادر الحدوث في هذا المجال.
خلايا وقود الاكاسيد الصلبة التقليدية ( (SOFCsتعمل عادة في درجات حرارة ما بين 800 الى 1000 درجة مئوية، ولكن درجات الحرارة المرتفعة هذه تناسب فقط وحدات توليد الكهرباء الثابتة. باختصار ، فإن استخدامها لتشغيل الهاتف الذكي مثلا ليس ممكنا.
في السنوات الأخيرة، عمل علماء المادة على الحد من درجة حرارة التشغيل المطلوبة إلى حوالي 300-500 درجة مئوية، هذا المدى من درجات الحرارة تسميه Ramanathan “الرقعة الحلوة”..
علاوة على ذلك، عندما تعمل خلايا الوقود في درجات حرارة منخفضة، تزيد موثوقية المادة مما يسمح، على سبيل المثال، باستخدام سيراميك أقل تكلفة وتوصيلات معدنية وتقصير وقت اللازم لبدء التشغيل.
“انخفاض درجة حرارة التشغيل هي الكأس المقدسة في هذا المجال”، كما يقول Ramanathan. “إذا كنت تستطيع عمل خلايا وقود اكسيد صلبة عالية الأداء تعمل في نطاق 300-500 درجة مئوية، فانه بامكانك استخدامها في مركبات النقل والالكترونيات المحمولة، ومع أنواع مختلفة من الوقود.”
ان استخدام غاز الميثان، وهو غاز طبيعي وفير ورخيص، في صناعة خلايا وقود الاكاسيد الصلبة يعتبر حدثا يستحق الملاحظة. حتى وقت قريب، كان وقود الهيدروجين هو الأساسي لهذ الخلايا. ولكن لهيدروجين النقي يتطلب قدرا كبيرا من المعالجة.
ان تحضير الهيدروجين النقي مكلف مما يحد بشدة من مدى التطبيقات لهذه الخلايا.
حين البدء باستخدام الميثان كوقود في هذه الخلايا، فان التحسينات في في درجة الحرارة، والموثوقية، والقدرة على تحمل التكاليف سوف تتواصل و تعزز بعضها بعضا.
البحث في المستقبل في مجال خلايا وقود الاكاسيد الصلبة سيكون قي اتجاه استكشاف أنواع جديدة من المواد المحفزة المناسبة للميثان، وذلك بهدف تحديد مواد ذات أسعار معقولة، ومتوافرة بكثرة مما قد يساعد على خفض درجة حرارة التشغيل إلى أبعد من ذلك.
يتم تمويل ابحاث خلايا الوقود من نفس الجهة التي تمول مشروع “Robobees” برئاسة Robert J. Wood، أستاذ مساعد في الهندسة الكهربائية حيث يأمل كلا من . Woodو Ramanathan في أن خلايا الوقود هذه ستوفر مصدر صغير للطاقة اللازمة للحصول على روبوتات تحلق بعيدا عن الارض.
الموضوع الاصلي على هذا الرابط
http://www.sciencedaily.com/releases/2010/11/101123174334.htm
تمت الترجمة بواسطة د. حازم فلاح سكيك
المركز العلمي للترجمة