Additively Manufactured Rectilinear Infilled Carbon-Fibre-Reinforced Polyamide Composite Architectures for Next-Generation Lightweight Wind Turbine Blades

تقف طاقة الرياح كحجر زاوية في التحول العالمي نحو الطاقة النظيفة، حيث توفر وسيلة لتوليد الكهرباء دون التلوث المرتبط بحرق الوقود الأحفوري. وفي قلب كل توربين رياح توجد شفراته، وهي الهياكل الضخمة التي تلتقط الرياح وتحولها إلى حركة. ولكي تعمل هذه الآلات بكفاءة، خاصة مع نموها لتصبح أكبر بهدف التقاط المزيد من الطاقة، يجب أن تكون الشفرات قوية للغاية وخفيفة الوزن بشكل ملحوظ؛ فإذا كانت ثقيلة جداً، ستعاني التوربينات في الدوران، وإذا لم تكن قوية بما يكفي، فإنها تخاطر بالانكسار تحت ضغط الرياح المستمر. تقليدياً، يتضمن صنع هذه الشفرات قوالب معقدة وطبقات من المواد الثقيلة، وهي عملية يمكن أن تكون مهدرة وغير مرنة. ومؤخراً، برزت طريقة تُعرف بالتصنيع المضاف، أو الطباعة ثلاثية الأبعاد، كحل محتمل. تقوم هذه التقنية ببناء الأجسام طبقة تلو الأخرى، مما يسمح بأشكال معقدة وتقليل المواد المهدرة. ومع ذلك، لكي تحل الطباعة ثلاثية الأبعاد محل الطرق التقليدية في طاقة الرياح، يجب أن تكون المواد المستخدمة قادرة على تحمل الظروف القاسية في الهواء الطلق، بما في ذلك الحرارة والبرودة والإجهاد البدني المستمر الناتج عن الدوران.

لقد شرع باحثون في المعهد الهندي للتكنولوجيا في مودي (IIT Mandi) في استكشاف ما إذا كان نوع معين من المواد المطبوعة ثلاثية الأبعاد يمكن أن يلبي هذه المتطلبات الصارمة. وقد ركزوا على مادة مركبة مصنوعة عن طريق خلط ألياف الكربون المقطعة في بلاستيك متين يسمى "بوليميد" (polyamide). وفي عالم التصنيع، يُعرف هذا المزيج غالباً باسمه التجاري "أونيكس" (Onyx). تعمل ألياف الكربون كهيكل عظمي داخل البلاستيك، مما يوفر قوة وصلابة إضافية، بينما يقوم البلاستيك بتماسك كل شيء معاً. استخدم الفريق طريقة طباعة تسمى "ترسيب الخيوط المنصهرة" (fused filament fabrication)، والتي تعمل عن طريق تسخين سلك رفيع من هذه المادة حتى ينصهر ثم ضغطه عبر فوهة لبناء شكل ما. وقد اختبروا تحديداً نمطاً يسمى "الحشوة المستقيمة" (rectilinear infill)، حيث يتم وضع المادة في خطوط مستقيمة ذهاباً وإياباً، تشبه الطريقة التي تغطي بها آلة قص العشب مساحة من الأرض. وقد اختير هذا النمط لأنه يوزع القوى بالتساوي عبر الهيكل. قام الباحثون بطباعة قطع اختبار صغيرة بهذه المادة وأخضعوها لسلسلة من الاختبارات لمعرفة مدى صمودها تحت الحرارة والضغط والاصطدام، محاكيةً بذلك الظروف التي قد تواجهها شفرة توربين الرياح.

تشير نتائج تحقيقهم إلى أن هذا النهج يحمل وعداً كبيراً. فعندما قام الفريق بتسخين المادة المطبوعة لمعرفة رد فعلها تجاه درجات الحرارة العالية، أظهرت استقراراً ممتازاً. فقد ساعدت ألياف الكربون في تأخير تحلل البلاستيك، مما يعني أن المادة يمكنها على الأرجح البقاء في بيئة الهواء الطلق المتقلبة حرارياً دون أن تفقد شكلها أو قوتها. ولفهم البنية الداخلية للمادة، استخدم الباحثون تحليل الأشعة السينية، الذي كشف أن الجزيئات مرتبة في نمط شبه بلوري مستقر. وهذا الترتيب المنظم أمر بالغ الأهمية لأنه يشير إلى أن طبقات المادة قد اندمجت جيداً أثناء الطباعة، مما خلق بنية صلبة وموحدة بدلاً من كونها مجرد كومة ضعيفة من الصفائح المنفصلة.

من حيث القوة الفيزيائية، أدت المادة المطبوعة أداءً مثيراً للإعجاب عبر عدة أنواع مختلفة من الإجهاد. فعند شدها، تحملت المادة متوسط قوة تبلغ حوالي 33.5 ميجا باسكال قبل الانكسار. وعند ضغطها، صمدت أمام متوسط ضغط يصل إلى حوالي 72.2 ميجا باسكال، مما أظهر قدرة قوية على تحمل الأحمال الثقيلة دون الانهيار. كما أظهرت المادة قدرة جيدة على امتصاص الطاقة عند الاصطدام، وهي سمة حيوية للشفرات التي قد تواجه البرد أو الغبار أو الحطام. وقاس الباحثون قوة الاصطدام هذه بمتوسط 42.1 كيلو جول/متر مربع. علاوة على ذلك، عند ثنيها، قاومت المادة الكسر بقوة انثناء تصل إلى 33 ميجا باسكال، مما أظهر قدرتها على التعامل مع قوى الانحناء الناتجة عن ضغط الرياح دون أن تنكسر. كما تم فحص سطح القطع المطبوعة، وكشف عن نسيج متسق بمتوسط خشونة يبلغ حوالي 8.65 ميكرومتر. وهذا المستوى من النعومة مهم لشفرات الرياح، لأن السطح الخشن يمكن أن يعيق تدفق الهواء ويقلل الكفاءة.

وعلى الرغم من هذه النتائج الإيجابية، فقد سلطت الدراسة الضوء أيضاً على المجالات التي لا تزال التكنولوجيا تواجه فيها تحديات. فقد وجد الباحثون أن الأجزاء المطبوعة تحتوي على جيوب صغيرة من الفراغات، المعروفة بالفجوات، والتي تشكلت بين طبقات المادة. وبينما احتوت أسطح القطع على عدد قليل نسبياً من هذه الفجوات، إلا أن الأجزاء الداخلية احتوت على المزيد، حيث وصلت كسور الفراغات إلى حوالي 17 في المائة في بعض المناطق. يمكن لهذه الفجوات الصغيرة أن تعمل كنقاط ضعف يتركز فيها الإجهاد، مما قد يؤدي إلى حدوث شقوق بمرور الوقت إذا تعرضت المادة للانحناء والالتواء المتكرر. وتشير الدراسة إلى أنه بينما المادة قوية، فإن هذه العيوب الداخلية تعني أن عملية الطباعة يجب أن تُضبط بعناية لضمان ترابط الطبقات بشكل مثالي. كما لاحظ الباحثون أن المادة تميل إلى الفشل بطريقة هشة، مما يعني أنها قد تنكسر فجأة بدلاً من الانحناء بشكل كبير أولاً، وهي خاصية يجب إدارتها في تصميم الشفرات الكبيرة في العالم الحقيقي.

لا يدعي عمل "جين" و"شارما" أنه حل مشكلة تصنيع توربينات الرياح بين عشية وضحاها، ولكنه يقدم خطوة واضحة ومشجعة للأمام. فمن خلال إثبات أن البلاستيك المعزز بألياف الكربون والمطبوع ثلاثي الأبعاد يمكن أن يكون خفيف الوزن وقوياً في آن واحد، يفتح البحث الباب أمام إنشاء شفرات توربينات رياح أسهل في الإنتاج وربما أكثر كفاءة. إن القدرة على طباعة الأشكال المعقدة مباشرة، دون الحاجة إلى قوالب ثقيلة، يمكن أن تقلل من هدر المواد وتسمح بتصاميم مصممة خصيصاً للقوى التي ستواجهها. وبينما يظل وجود الفجوات الداخلية والحاجة إلى مزيد من الاختبارات على المتانة طويلة الأمد قائماً، فإن النتائج تؤكد أن هذه المادة هي مرشح قابل للتطبيق للجيل القادم من البنية التحتية للطاقة المتجددة. إن الطريق لاستبدال الشفرات التقليدية بأخرى مطبوعة ثلاثية الأبعاد سيتطلب مزيداً من العمل لإتقان عملية الطباعة والقضاء على تلك الفجوات الداخلية، ولكن الأساس قد وُضع بمادة جاهزة للاختبار في العالم الحقيقي.