Non-reciprocal heat transfer advances flexible thermoelectric devices

تخيل عالماً يمكن فيه إدارة الحرارة الناتجة عن آلة أو جسم بشري ليس عبر مراوح ضخمة ومزعجة أو مشعات معدنية ثقيلة، بل من خلال ورقة رقيقة ومرنة تشبه القماش. هذا هو الوعد الذي تقدمه تكنولوجيا الكهروحرارية، وهو مجال سعى طويلاً لتحويل الفوارق في درجات الحرارة إلى كهرباء، أو على العكس من ذلك، استخدام الكهرب️ لإنشاء التبريد. لعقود من الزمن، كانت هذه الأجهزة محدودة بعائق فيزيائي جوهري: الحرارة ترغب طبيعياً في التدفق عائدة من النقطة الساخنة إلى النقطة الباردة، مما يلغي العمل الذي يحاول الجهاز القيام به. ولإيقاف ذلك، قام المهندسون تقليدياً بتثبيت مشتتات حرارية كبيرة وصلبة في الجزء الخلفي من الجهاز لتبديد الحرارة بعيداً. ورغم فعاليتها، إلا أن هذه الملحقات الثقيلة تبطل الغرض من جعل التكنولوجيا مرنة وقابلة للارتداء، مما يقيد استخدامها في الإلكترونيات الثابتة بدلاً من الاحتياجات الديناميكية للجسم البشري.

لقد اقترح فريق من الباحثين الآن طريقة مختلفة للتفكير في هذه المشكلة، طريقة تتخلى عن فكرة محاربة تدفق الحرارة بالقوة الغاشمة وتستخدم بدلاً من ذلك حيلة هيكلية ذكية لتوجيهها. فمن خلال تصميم جهاز يعامل الحرارة بشكل مختلف اعتماداً على الاتجاه الذي تحاول السير فيه، نجحوا في ابتكار وحدة كهروحرارية مرنة يمكنها تبريد نفسها دون أي معدات تبريد خارجية. يشير هذا الاختراق إلى أن أنظمة التبريد الصلبة والثقيلة التي كانت سائدة في الماضي قد تُستبدل قريباً بشرائح خفيفة الوزن وقابلة للتكيف، قادرة على التحكم في درجة الحرارة الشخصية في كل شيء، بدءاً من الطب الرياضي وصولاً إلى الرعاية الطارئة.

يكمن جوهر هذا النهج الجديد في كسر التماثل في الجهاز. في المبرد الكهروحراري القياسي، يكون الهيكل الداخلي متماثلاً من الأعلى إلى الأسفل، مما يسمح للحرة بالتدفق ذهاباً وإياباً بسهولة، تماماً مثل الماء الذي يتدفق عبر أنبوب بلا صمامات. أدرك الباحثون أنه من خلال ترتيب المواد داخل الجهاز في نمط غير متماثل وغير منتظم، يمكنهم إنشاء "شارع ذي اتجاه واحد" للحرارة. لقد بنوا جهازهم باستخدام مزيج من الكتل الصلبة من المواد الكهروحرارية والأغشية الرقيقة المسامية. تعمل هذه الأغشية كحاجز؛ فهي ممتازة في توصيل الكهرباء ولكنها ضعيفة جداً في توصيل الحرارة. عندما يتم تشغيل الجهاز، يتم دفع الحرارة المتولدة عند الطرف الساخن بسرعة عبر طبقة مرنة عالية التوصيل، بينما يمنع الغشاء المسامي تلك الحرارة نفسها من التسلل عائدة إلى الجانب البارد. هذا التحكم الاتجاهي يحجز قوة التبريد بفعالية حيث تشتد الحاجة إليها ويمنع فقدان الطاقة الداخلي الذي عادة ما يعيب هذه الأنظمة.

ولتجسيد هذا المفهوم، استخدم الفريق تقنية تصنيع تسمى "الطباعة الشاشية" (screen printing)، وهي تقنية تستخدم عادة لطباعة لوحات الدوائر الكهربائية ولكن نادراً ما تُطبق على المواد الكهروحرارية عالية الأداء. قاموا بطباعة طبقات من مواد متخصصة على ركائز مرنة، مما خلق جهازاً ليس فقط رقيقاً وقابلاً للانحناء، بل يمتلك أيضاً بنية مسامية تقاوم تدفق الحرارة بشكل طبيعي. تم اختيار المواد بعناية لتعظيم التدفق الكهربائي مع تقليل التدفق الحراري إلى أدنى حد. إحدى هذه المواد، وهي مركب يحتوي على البزموت والأنتيمون والتيلوريوم، تمت معالجتها تحت الضغط لمحاذاة بلوراتها الداخلية بطريقة تعزز قدرتها على نقل الكهرباء. أما المادة الأخرى، وهي مركب مرن من الفضة والسيلينيوم، فقد استُخدمت لقدرتها على توصيل الكهرباء بكفاءة مع بقائها مرنة بما يكفي للانحناء دون انكسار. والنتيجة كانت جهازاً يمكن ثنيه في منحنى ضيق بنصف قطر يبلغ 5 مليمترات فقط، مما يثبت ملاءمته للتطبيقات القابلة للارتداء.

عندما اختبر الباحثون ابتكارهم، كانت النتائج مذهلة. فبدون تركيب أي مشتت حراري خارجي أو مروحة تبريد، تمكن الجهاز من خفض درجة حرارته إلى -7.03 درجة مئوية في غرفة تبلغ درجة حرارتها حوالي 22 درجة مئوية. يمثل هذا انخفاضاً في درجة الحرارة بمقدار 29.25 درجة، وهو مستوى أداء يتجاوز بكثير ما حققته الأجهزة المرنة السابقة بدون ملحقات تبريد ثقيلة. في الواقع، استطاع الجهاز الحفاظ على فرق درجات حرارة يزيد عن 65 درجة بين جانبيه الساخن والبارد. ولعل الأمر الأكثر إثارة للإعجاب هو أن الجهاز عمل بكفاءة عالية، مما يعني أنه استهلك كمية قليلة جداً من الكهرباء لتحقيق هذا التبريد، وهو مقياس يُعرف بـ "معامل الأداء" الذي وصل إلى حوالي 1.5. يعد هذا تحسناً كبيراً عن التصميمات التقليدية، التي غالباً ما تعاني للحفاظ على كفاءتها مع زيادة فرق درجات الحرارة.

تمتد آثار هذا العمل إلى ما هو أبعد من مجرد التبريد البسيط. نظرًا لأن الجهاز يمكنه توليد الكهرباء عندما يكون هناك فرق في درجات الحرارة عبره، فقد اختبر الباحثون قدرته على حصاد الطاقة من جسم الإنسان. قاموا بتثبيت نسخة مكونة من سبع وحدات من الجهاز على ذراع شخص وقاسوا الجهد الكهربائي الناتج أثناء جلوس الشخص ساكناً وأثناء مشيه. أنتج الجهاز جهداً كهربائياً صغيراً ولكن قابلاً للقياس في كلتا الحالتين، مع زيادة المخرجات كلما تحرك الجسم وزاد الفرق في درجات الحرارة. وهذا يوضح أن نفس التكنولوجيا المستخدمة للتبريد يمكن أن تشغل أيضاً مستشعرات صغيرة قابلة للارتداء، مما يخلق نظاماً ذاتي الاستدامة لمراقبة الصحة.

يعتقد الباحثون أن هذا التصميم يمكن أن يحدث ثورة في كيفية إدارة درجات الحرارة في حياتنا اليومية وفي الإعدادات الطبية. فمن خلال إزالة الحاجة إلى أجهزة تبريد ضخمة، تفتح هذه التكنولوجيا الباب أمام تطبيقات كانت مستحيلة سابقاً. يمكن استخدام الجهاز للإدارة الحرارية الشخصية، لإبقاء مرتديه بارداً في المناخات الحارة أو دافئاً في الأجواء الباردة. وفي المجال الطبي، فإن القدرة على الوصول إلى درجات حرارة أقل بكثير من درجة التجمد دون معدات ثقيلة تشير إلى استخدامات محتملة لعلاج الإصابات الرياضية، وتقليل التورم، أو توفير تخفيف للألم من خلال التبريد الموضعي. حتى أن الفريق يتصور استخدامه في البيئات الجراحية، حيث يمكن وضع غطاء جليدي مرن وقابل للنقل مباشرة على المريض دون العبء اللوجستي لوحدات التبريد التقليدية.

بينما النموذج الأولي الحالي هو وحدة واحدة، فقد أظهر الباحثون أنه يمكن دمج وحدات متعددة لزيادة الجهد لتوليد الطاقة أو زيادة مساحة التبريد للتطبيقات الأكبر. إن استخدام الطباعة الشاشية والمواد الشائعة يشير إلى إمكانية تصنيع هذه الأجهزة بتكلفة منخفضة وعلى نطاق واسع، مما يجعل الإدارة الحرارية المتقدمة متاحة لمجموعة واسعة من المستخدمين. لا يدعي هذا العمل أنه حل جميع المشكلات في علم الكهروحرارية، ولكنه يقدم مساراً واضحاً ومقنعاً للمضي قدماً. فمن خلال إعادة التفكير في الهيكل الداخلي للجهاز للتحكم في اتجاه تدفق الحرارة، أثبت الباحثون أن المرونة والأداء العالي ليسا متنافيين. والنتيجة هي تكنولوجيا ليست أكثر كفاءة فحسب، بل هي أيضاً أكثر تركيزاً على الإنسان، وقادرة على التكيف مع شكل واحتياجات الجسم الذي تخدمه.