Electrical Performance of Cement Nanofiller Composites for Low-Grade Thermoelectric Energy Harvesting

غالبًا ما تكون المدن أكثر دفئًا من الأرياف المحيطة بها، وهي ظاهرة تُعرف باسم تأثير الجزيرة الحرارية الحضرية. يحدث هذا لأن الخرسانة والأسفلت والمباني تمتص ضوء الشمس وتحتفظ بالحرارة، ثم تطلقها ببطء حتى بعد غياب الشمس. وبينما يُنظر إلى هذه الحرارة المحتبسة غالبًا على أنها مصدر إزعاج يؤدي إلى ارتفاع تكاليف الطاقة لأجهزة تكييف الهواء، إلا أنها أيضًا مستودع هائل وغير مستغل للطاقة منخفضة الدرجة. تخيل رصيفًا أو جدار مبنى لا يمكنه فقط تخزين هذه الحرارة، بل تحويلها أيضًا إلى كهرباء. هذا هو وعد التكنولوجيا الكهروحرارية، وهي طريقة تولد الطاقة ببساطة من خلال استغلال فرق درجة الحرارة بين جانبي مادة ما. ولكي يعمل هذا على نطاق واسع، يجب أن تكون المادة نفسها قادرة على توصيل الكهرباء جيدًا، وهي سمة تفتقر إليها الخرسانة العادية.

لقد عرف الباحثون منذ فترة طويلة أن إضافة المواد القائمة على الكربون إلى الإسمنت يمكن أن تجعله موصلًا، لكن العثور على التوازن الصحيح بين التكلفة والتوافر والأداء لا يزال يمثل تحديًا. وقد سعى فريق من العلماء في الهند مؤخرًا لاختبار مصدر كربوني متواضع وغالبًا ما يتم تجاهله: سخام الشموع. أرادوا معرفة ما إذا كان يمكن تحويل هذه النفايات المنزلية إلى مادة مضافة عالية الأداء للإسمنت، لتنافس المواد الهندسية التجارية باهظة الثمن مثل الجرافين والأنابيب النانوية الكربونية. كان هدفهم هو إنشاء مركب إسمنتي يمكنه حصاد الحرارة المهدرة من الأسطح الحضرية وتحويلها إلى كهرباء صالحة للاستخدام، مما قد يحول طرقنا ومبانينا إلى مولدات طاقة صامتة.

بدأ الباحثون بجمع السخام الأسود الذي يتكون عند احتراق الشمعة. لم يكتفوا بمجرد كشطه عن طبق، بل طوروا عملية دقيقة لتنظيفه وتكريره. ومن خلال غسل السخام بالكحول وتدويره بسرعات عالية لفصل أدق الجزيئات، صنعوا شكلًا نقيًا من الجسيمات النانوية الكربونية. ثم خلطوا المادة المشتقة من السخام في عجينة الإسمنت، جنبًا إلى جنب مع نوعين آخرين من الحشوات الكربونية: الجرافين فائق الجودة، والذي يتكون من طبقات مفردة من ذرات الكربون، والأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران، وهي أسطوانات كربونية صغيرة مجوفة. أعدوا عينات تحتوي على كميات متفاوتة من كل حشوة، مع الحفاظ على كمية الماء والإسمنت ثابتة لضمان إجراء مقارنة عادلة.

بعد صب العينات وتجفيفها، فحصها الفريق بدقة لفهم كيفية سلوك المواد المختلفة داخل الإسمنت. وباستخدام مجاهر قوية، لاحظ أن جزيئات سخام الشمع كانت كروية ومليئة بالعيوب الصغيرة، مما منحها ملمسًا خشنًا. وعند خلطها في الإسمنت، ملأت هذه الجزيئات الفجوات والمسام الصغيرة داخل المادة المتصلبة، مما خلق بنية أكثر كثافة. وأظهرت الصور أن جزيئات السخام توزعت بانتظام، مكونة شبكة اتصلت مع الهلام الرابط الطبيعي للإسمنت. وكان هذا اكتشافًا حاسمًا، حيث إن الشبكة المستمرة مطلوبة لتدفق الكهرباء عبر المادة.

قام الفريق بعد ذلك بقياس مدى قدرة كل عينة على توصيل الكهرباء عند درجات حرارة مختلفة. ووجدوا أن كمية الحشوة المضافة أحدثت فرقًا كبيرًا. فبالنسبة للعينات التي تحتوي على الجرافين باهظ الثمن، وصلت الموصلية الكهربائية إلى 0.07 سيمنز/سم عندما شكلت الحشوة اثنين بالمائة من وزن الإسمنت عند درجة حرارة 60 مئوية. أما العينات التي تحتوي على الأنابيب النانوية الكربونية فقد تطلبت جرعة أعلى بكثير، بلغت خمسة عشر بالمائة، لتصل إلى موصلية قدرها 0.25 سيمنز/سم عند 60 درجة مئوية. ومع ذلك، فإن العينات المصنوعة من جسيمات سخام الشمع قدمت قصة مختلفة؛ فعند جرعة خمسة بالمائة، وصلت موصلية المركب القائم على السخام إلى 0.03 سيمنز/سم عند 85 درجة مئوية. وأشار الباحثون إلى أن موصلية جميع هذه المواد تتحسن مع ارتفاع درجة الحرارة، وهو بالضبط ما يلزم لحصاد الحرارة من الأرصفة الدافئة.

كشفت الدراسة أن الآلية وراء هذه الموصلية تتضمن قفز الإلكترونات عبر الفجوات الصغيرة بين الجزيئات أو النفق عبرها، وهي عملية تصبح أسهل عندما تكون الجزيئات متراصة بالقرب من بعضها البعض. وقد أثبت سخام الشمع، رغم كونه منتجًا ثانويًا بسيطًا للاحتراق، أنه مرشح قابل للتطبيق لإنشاء هذه المسارات الموصلة. ورغم أنه لم يتفوق على الأنابيب النانوية عالية الجودة من حيث الموصلية الخام في الجرعات المختبرة، إلا أن إمكاناته تكمن في سهولة الوصول إليه وفي كونه منتجًا من النفايات. لقد أثبت الباحثون أنه من الممكن تحويل ملوث منزلي شائع إلى مكون وظيفي للبنية التحتية الذكية.

في النهاية، يشير العمل إلى أنه يمكن هندسة مركبات الإسمنت لحصد الطاقة الحرارية منخفضة الدرجة، بشرما توفر الشبكة الموصلة المناسبة. لقد قدمت جسيمات سخام الشمع النانوية بديلًا فريدًا ومنخفض التكلفة نجح في التكامل مع مصفوفة الإسمنت، مكونًا بنية مجهرية أكثر كثافة ومما مكن التدفق الكهربائي. وبينما لا تزال هذه التكنولوجيا في المرحلة التجريبية وتواجه تحديات تتعلق بالكفاءة والتنفيذ على نطاق واسع، فإن الدراسة تقدم إثباتًا واضحًا للمفهوم. فهي تظهر أن المواد المحيطة بنا في مدننا، من الخرسانة تحت أقدامنا إلى النفايات التي ننتجها، يمكن أن تكون يومًا ما جزءًا من نظام يحول حرارة الشمس بهدوء إلى كهرباء.