Electric Induced Cooling Effect in Printable Thermogalvanic Cells
تُثبت هذه الورقة جدوى التبريد في الحالة الصلبة في الخلايا الكهروحرارية القابلة للطباعة، حيث يعمل جهد فائق الانخفاض على دفع تفاعلات كهروكيميائية عكسية لتحقيق انخفاض في درجة الحرارة يبلغ حوالي 0.1 كلفن، مما يوفر حلاً خفيف الوزن ومرناً للإدارة الحرارية في الأنظمة الإلكترونية المصغرة.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
يعتمد معظمنا على طنين الضاغط (الكمبروسر) ودوران الغازات الكيميائية للحفاظ على طعامنا طازجاً أو تبريد منازلنا. تعمل أنظمة التبريد التقليدية هذه بشكل جيد، لكنها ثقيلة، وتتطلب آلات معقدة، وتعتمد على مواد يمكن أن تضر بالبيئة. لعقود من الزمن، بحث العلماء عن بديل أكثر هدوءاً وخفة: التبريد بالحالة الصلبة. يستخدم هذا النهج الكهرباء لنقل الحرارة دون أي أجزاء متحركة أو غازات ضارة. وبينما يُستخدم نوع من التبريد بالحالة الصلبة، يُعرف بالتبريد الكهروحراري، بالفعل في بعض الإلكترونيات، إلا أنه غالباً ما يتطلب جهداً كهربائياً عالياً ويولد حرارته العادمة الخاصة، مما يحد من كفاءته. وهناك مسار واعد آخر يتضمن استخدام التفاعلات الكيميائية لامتصاص أو إطلاق الحرارة، وهو مفهوم انتقل مؤخراً من النظرية إلى التطبيق في شكل جهاز جديد.
في دراسة حديثة، استكشف باحثون في جامعة لينكوبينغ نوعاً معيناً من البطاريات الكيميائية يسمى الخلية الكهروحرارية (thermogalvanic cell) لمعرفة ما إذا كان يمكن استخدامها للتبريد. تُصمم هذه الخلايا عادةً لحصد الطاقة من فروق درجات الحرارة الصغيرة، لكن الفريق بحث في العملية العكسية: استخدام تيار كهربائي ضئيل لإحداث فرق في درجة الحرارة. ومن خلال تطبيق جهد كهربائي منخفض جداً على جهاز بسيط قابل للطباعة، نجحوا في إثبات أن الكهرباء يمكن أن تحفز تأثيراً تبريدياً. وقد أكدت التجربة أن هذه الأجهزة يمكن أن تخفض درجة حرارة نقطة معينة بمقدار صغير ولكن قابل للقياس، مما يثبت أن طريقة جديدة وخفيفة الوزن لإدارة الحرارة في الإلكترونيات هي أمر ممكن.
بنى الباحثون أجهزتهم باستخدام طريقة تشبه طباعة المستند، ولكن بدلاً من الحبر، استخدموا طبقات من الكربون المنشط ومحلولاً سائلاً يحتوي على مواد كيميائية قائمة على الحديد. قاموا بطباعة هذه المواد على شرائح ألومنيوم رقيقة لإنشاء قطبين كهربائيين يفصل بينهما فجوة صغيرة. وعندما طبقوا تياراً مستمراً قدره بضعة ميلي أمبيرات فقط — وهو أقل بكما هو مطلوب لمصباح كهربائي قياسي — بدأت التفاعلات الكيميائية عند الأقطاب الكهربائية تتصرف بشكل مختلف. ففي أحد الأقطاب، امتص التفاعل الكيميائي الحرارة من البيئة المحيطة، مما أدى إلى تبريد تلك النقطة. وفي القطب الآخر، أدى التفاعل العكسي إلى إطلاق الحرارة، مما تسبب في دفئها. وتُدفع هذه العملية بواسطة التغير الطبيعي في الاضطراب، أو "الإنتروبيا"، الذي يحدث عندما تتحول المواد الكيميائية بين حالتي الأكسدة والاختزال.
ولفهم مدى جودة عمل هذا التبريد، اختبر الفريق نسختين من الجهاز. احتوت النسخة الأولى على طبقة واحدة من الكربون المطبوع، بينما احتوت الأخرى على ثلاث طبقات. غير الفرق في السماكة المقاومة الكهربائية للجهاز، وهي مدى مقاومة المادة لتدفق الكهرباء. في الجهاز ذي القطب الأكثر سمكاً (ثلاث طبقات)، كانت المقاومة الكهربائية أقل. وعندما أجرى الباحثون تياراً عبر هذا الجهاز، كان تأثير التبريد واضحاً وثابتاً. فقد انخفضت درجة الحرارة عند قطب التبريد بنحو 0.04 درجة مئوية، أو 40 مللي كيلفن، مع زيادة التيار. ومع ذلك، في الجهاز ذي الطبقة الواحدة الأرق، تسببت المقاومة الكهربائية العالية في مشكلة مختلفة؛ فمع تدفق التيار، ولدت المقاومة حرارتها الخاصة، المعروفة باسم "تسخين جول". هذه الحرارة غير المرغوب فيها غلبت بسرعة على تأثير التبريد، مما أدى إلى ارتفاع درجة حرارة الجهاز بدلاً من تبريده بمجرد وصول التيار إلى مستويات عالية.
كشفت الدراسة أن نجاح طريقة التبريد هذه يعتمد كلياً على موازنة قوتين متنافستين. فمن ناحية، هناك التبريد المدفوع بالإنتروبيا، وهو التأثير المنشود حيث يسحب التفاعل الكيميائي الحرارة بعيداً. ومن ناحية أخرى، هناك الحرارة الناتجة عن المقاومة الكهربائية للمواد نفسها. ووجد الباحثون أنه إذا كانت المقاومة الداخلية عالية جداً، فإن الحرارة الناتجة عن الكهرباء تلغي فائدة التبريد. في أفضل أجهزتهم أداءً، وصلت قدرة التبريد إلى حوالي 1.7 ميلي واط، وهي كمية صغيرة من الطاقة ولكنها كبيرة بالنسبة لنظام يعمل بجهد كهربائي منخفض كهذا. وبلغت كفاءة الجهاز، التي تقاس بمقدار التبريد الذي وفره مقابل كمية الكهرباء المستخدمة، ذروتها عند قيمة 2.5 عندما تم الحفاظ على التيار منخفضاً. وهذا يعني أنه مقابل كل وحدة طاقة يتم إدخالها، قام الجهاز بنقل 2.5 وحدة من الحرارة، وهو رقم محترم لنظام يمثل إثباتاً للمفهوم.
تشير هذه النتائج إلى أنه على الرغم من أن هذه التكنولوجيا لا تزال في مراحلها الأولى، إلا أن المسار نحو المستقبل واضح. فتأثير التبريد حقيقي وقابل للقياس، ولكن لجعله مفيداً للتطبيقات الواقعية، يجب تحسين المواد لتقليل المقاومة الكهربائية. وأشار الباحثون إلى أنه من خلال تحسين سماكة الطبقات المطبوعة واختيار مواد أفضل، يمكنهم تقليل الحرارة الضائعة التي تحد حالياً من الأداء. وبما أن هذه الأجهزة مصنوعة من مواد وفيرة وغير سامة ويمكن طباعتها على أسطح مرنة، فإنها توفر إمكانات فريدة لتبريد الإلكترونيات القابلة للارتداء أو المستشعرات الصغيرة حيث يستحيل استخدام التبريد التقليدي. ويؤسس هذا العمل قاعدة صلبة لتطوير مبردات الحالة الصلبة التي تكون خفيفة الوزن، ومستدامة، وقادرة على العمل باستخدام الكهرباء اللطيفة ومنخفضة الطاقة التي ستعتمد عليها الأجهزة المحمولة في المستقبل.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.