Thermoelastic Harvesting Outperforming Thermoelectric Generators Below 100 {\deg}C

تخيل أن العالم يشغل سخانًا عملاقًا غير مرئي. في كل مرة نشغل فيها جهاز كمبيوتر، أو نقود سيارة، أو حتى بمجرد المشي، فإننا نولد حرارة. معظم هذه الحرارة هي حرارة "منخفضة الدرجة"، مما يعني أنها ليست ساخنة بما يكفي لغلي الماء لمحرك بخاري، لكنها لا تزال كمية هائلة من الطاقة التي نتركها عادةً تتلاشى في الهواء. يطلق عليها العلماء اسم "الحرارة المهدرة"، ونحن نواجه الآن مشكلة كبيرة: ليس لدينا طريقة جيدة لالتقاطها وتحويلها إلى كهرباء مرة أخرى. الأجهزة التي نمتلكها حاليًا، مثل المولدات الكهروحرارية، تشبه محاولة التقاط المطر باستخدام كأساً صغيراً؛ فهي تعمل، لكنها بطيئة، ومكلفة، وغالبًا ما تُصنع من مواد نادرة.

لحل هذه المشكلة، يبحث الباحثون في عائلة خاصة من المواد تسمى "الفيرويك" (ferroics). فكر في هذه المواد كأنها "مغيرات للشكل". فعند تسخينها أو تبريدها، لا تكتفي هذه المواد بالساخن أو البارد فحسب، بل تغير هيكلها الداخلي، مما يجعلها تتمدد أو تنكمش أو تغير جذبها المغناطيسي. هذا يشبه خدعة سحرية حيث يقرر سلك معدني فجأة أن ينمو أو ينكمش لمجرد تغير درجة الحرارة. إذا استطعنا تسخير هذه "العضلة" لدفع مكبس أو تدوير عجلة، يمكننا تحويل تلك الدفء الضائع إلى طاقة مفيدة. السؤال الكبير هو: هل يمكننا بناء آلة تقوم بذلك بكفاءة كافية لتكون مفيدة؟

---

السلك مغير الشكل الذي يلتقط الحرارة المهدرة

في عالم مليء بالطاقة الضائعة، بنى فريق من العلماء آلة تعمل كأرجوحة (سيسو) عالية التقنية، تستخدم أسلاكًا خاصة لتحويل الحرارة منخفضة الدرجة (أقل من 100 درجة مئوية) إلى كهرباء. جهازهم الجديد، وهو حاصد الطاقة المرن حراريًا (thermoelastic harvester)، يعد تطويرًا كبيرًا للمحاولات السابقة، حيث أثبت أننا نستطيع استخراج طاقة من هذه المواد مغيره الشكل أكثر بكثير مما كان يعتقد الجميع.

المشكلة: الآلة "نصف الفارغة"

لعقود من الزمن، حاول العلماء بناء آلات باستخدام سبائك ذاكرة الشكل (SMAs)، وهي أسلاك يمكنها "تذكر" شكلها. عندما تسخن سلك الـ SMA، فإنه يعود فجأة إلى شكله الأصلي؛ وعندما تبرده، يصبح ناعمًا وسهل التمدد. الفكرة هي تسخين وتبريد هذه الأسلاك في دورة لجعلها تدفع وتسحب، مما يولد الطاقة.

ومع ذلك، كانت التصاميم القديمة تعاني من خلل كبير. تخيل حبلًا طويلًا يمر فوق بكرتين، إحداهما ساخنة والأخرى باردة. في الآلات القديمة، كان الجزء الصغير فقط من الحبل الذي يلمس البكرة الساخنة هو الذي يقوم بعمل ما. أما بقية الحبل، فكان يظل خاملًا، إما في الماء الساخن أو في الماء البارد، في انتظار دوره. كان الأمر يشبه امتلاك مصنع حيث يعمل عامل واحد فقط على إنتاج المنتج بينما يقف بقية الفريق ليشاهدوا. هذا جعل الآلات غير فعالة للغاية.

الحل: أرجوحة "البطل والخصم"

قام الباحثون في هذه الورقة البحثية بإصلاح ذلك عبر بناء نوع جديد من المحركات. بدلاً من حلقة واحدة طويلة، استخدموا مجموعتين من الأسلاك متصلتين بأرجوحة مركزية.

• البطل (The Protagonist): مجموعة واحدة من الأسلاك تسخن وتنكمش، مما يسحب أحد جانبي الأرجوحة للأسลง.
• الخصم (The Antagonist): في الوقت نفسه، تبرد المجموعة الأخرى من الأسلاك وتتمدد بفعل حركة الأرجوحة.

إليك الجزء السحري: الطاقة اللازمة لتمديد الأسلاك الباردة تأتي مباشرة من الأسلاك الساخنة التي تقوم بعملها. إنه يشبه لعبة شد الحبل حيث يقوم الفريق الفائز تلقائيًا بسحب الحبل للفريق الخاسر، بحيث لا تحتاج إلى محرك خارجي لإعادة ضبط النظام. يضمن هذا التصميم أن كل المادة النشطة تعمل في كل لحظة، وليس مجرد جزء صغير منها.

لقد حلوا أيضًا مشكلة ثانية: كيفية نقل الحرارة بسرعة كافية. كانت التصاميم القديمة تدفع الماء على طول طول السلك، مما كان بطيئًا. أما هذه الآلة الجديدة، فهي تطلق الماء عبر الأسلاك (مثل رأس الدش الذي يصطدم بخرطوم)، مما يسمح للأسلاك بالتسخين والتبريد بشكل أسرع بكثير دون الحاجة لأن تكون أقصر.

النتائج: قوة هائلة

اختبر الفريق آلتهم باستخدام أسلاك النيكل والتيتانيوم (NiTi) المتوفرة تجاريًا، وهي نفس الأسلاك المستخدمة في الأجهزة الطبية مثل الدعامات. لم يكتفوا بالتخمين حول مدى جودة عملها، بل قاموا بقياس القوة والحركة مباشرة.

كانت النتائج مبهرة:

• كثافة الطاقة: أنتجت الآلة 366 ميلي واط/سم³ من الطاقة بالنسبة لحجم المادة النشطة. وهذا أفضل بحوالي 1.7 مرة من أفضل جهاز مرن حراري تم بناؤه سابقًا.
• التفوق على المنافسين: تفوقت هذه الآلة الجديدة على جميع أنواع حاصدات الحرارة الأخرى التي تم اختبارها تحت 100 درجة مئوية، بما في ذلك المولدات المغناطيسية الحرارية والكهربائية الحرارية.
• كفاءة التكلفة: عند النظر إلى مقدار الطاقة التي تحصل عليها مقابل كل يورو يُنفق على المواد الخام، قدم هذا الجهاز 4.9 واط/يورو. وهذه القيمة أعلى من أفضل المولدات الكهروحرارية التي تم اختبارها في نفس نطاق درجات الحرارة.

لماذا يهم هذا الأمر؟

تظهر الورقة البحثية أن العائق ليس المادة نفسها، بل كيفية تصميم الآلة. من خلال تغيير الهيكل إلى إعداد "البطل والخصم" واستخدام تبريد المياه بالتدفق المتقاطع، تمكنوا من فتح مستوى من الأداء كان مخفيًا في السابق.

لقك الباحثون قياس الطاقة مباشرة، دون الاعتماد على المحاكاة الحاسوبية أو التقديرات. ووجدوا أنه بينما تقوم المادة بالفعل بعمل رائع، إلا أنه لا يزال هناك مجال لتحسين تبادل الحرارة (جعل الماء ينقل الحرارة بشكل أسرع). كما أشاروا إلى أنه بينما تعد هذه الآلة رائعة لفروق درجات الحرارة الكبيرة (حوالي 66 درجة مئوية)، فقد تظل أنواع أخرى من الحاصدات أفضل لفروق درجات الحرارة الصغيرة جدًا.

باخت محصر، تثبت هذه الورقة أنه مع الهندسة الصحيحة، يمكننا بناء محرك صلب يحول الحرارة المهدرة اليومية إلى كمية كبيرة من الطاقة، مما يوفر طريقة أرخص وأكثر كفاءة لالتقاط الطاقة التي نهدرها حاليًا. لقد فُتح الباب الآن لتوسيع نطاق هذا العمل، باستخدام نفس قواعد التصميم لبناء حاصدات طاقة أكبر وأكثر قوة.