Data-Driven Analysis of Carbon-Enabled Cementitious Composites for Multifunctional Infrastructure

تُعد الخرسانة المادة الإنشائية الأكثر استخداماً على وجه الأرض، فهي تشكل الهيكل العظمي لمدننا وجسورنا وطرقنا. ولأكثر من قرن، كانت وظيفتها الأساسية بسيطة: أن تقف قوية تحت الأوزان الثقيلة وتدوم لعقود دون أن تتفتت. ومع ذلك، فإن المتطلبات المفروضة على بنيتنا التحتية تتغير. فمع تحول عالمنا نحو الكهرباء، حيث تحتاج المركبات الكهربائية إلى الشحن أثناء سيرها وتحتاج المستشعرات إلى مراقبة سلامة جسورنا، يطالب المهندسون بنوع جديد من الخرسانة. إنهم يريدون مادة تفعل أكثر من مجرد دعم بناء ما؛ يريدونها أن توصل الكهرباء، أو تستشعر الإجهاد الذاتي، أو حتى تخزن الطاقة مثل بطارية عملاقة. ولتحقيق ذلك، بدأ الباحثون في خلط الكربون — وهو نفس العنصر الموجود في رصاص أقلام الرصاص والألماس — في خليط الإسمنت الرطب. ويمكن لهذا الكربون أن يتخذ أشكالاً عديدة، من مسحوق أسود دقيق إلى ألياف طويلة تشبه الشعر، ومن المفترض أن يمنح كل شكل من هذه الأشكال الخرسانة قدرات كهربائية خارقة جديدة.

التحدي يكمس في أن إضافة الكربون هي عملية توازن دقيقة. فبينما يساعد الكربون على تدفق الكهرباء، يمكنه أيضاً أن يضعف الخرسانة، مما يجعلها هشة أو عرضة للتشقق. علاوة على ذلك، فإن طريقة خلط الخرسة وضغطها تهم بقدر كمية الكربون المضافة. وبما أن العديد من المجموعات البحثية المختلفة كانت تختبر أنواعاً مختلفة من الكربون بطرق متنوعة، فقد كان من الصعب رؤية الصورة الكاملة. فبعض الدراسات تزعم أن الكربون يقوي الخرسانة، بينما تقول دراسات أخرى إنه يدمرها. ومن أجل قطع الطريق على هذا الارتباك، قرر باحثان في جامعة ماكواري، إيمان أسادي وسارة ديلامي، التوقف عن النظر في التجارب الفردية والنظر بدلاً من ذلك إلى كامل مجموعة الأدلة كبيانات موحدة. لقد جمعا معلومات من تسعة وخمسين منشوراً علمياً مختلفاً، ونظما مئات الوصفات المحددة للخرسانة الممزوجة بالكربون لمعرفة ما ينجح وما لا ينجح فعلياً.

بنى الباحثون مكتبة رقمية ضخمة لوصفات الخرسانة هذه، مصنفة حسب نوع الكربون المستخدم وكيفية معالجة المادة. وركزوا على سؤالين رئيسيين: كيف يؤثر الكربون على قوة الخرسانة، وكيف يؤثر على قدرة المادة على تخزين الطاقة؟ وعندما حللوا البيانات، وجدوا أن الفكرة البسيطة القائلة بأن "إضافة المزيد من الكربون" هي طريقة مضللة لتصميم هذه المواد. فكمية الكربون بالوزن لا تروي القصة كاملة. فقد يشكل قدر ضئيل من ألياف الكربون الطويلة والنحيفة شبكة توصيل قوية، بينما قد يؤدي قدر أكبر بكثير من مسحوق الكربون إلى التكتل وإضعاف البنية. وفي الواقع، عندما نظروا إلى البيانات بعناقة، رأوا أن قوة الخرسانة تعتمد على شكل الكربون وكيفية خلطه أكثر بكثير من اعتمادها على الوزن المحدد للكربون المضاف.

جاء أحد أكثر الاكتشافات إثارة للاهتمام من خلال النظر في كيفية ضغط الخرسانة لتأخذ شكلها النهائي. فقد وجد الباحثون أن الطريقة المستخدمة لضغط الخليط الرطب يمكن أن تغير النتيجة تماماً. في مجموعة محددة من التجارب، تم اختبار خرسانة ممزوجة بكمية عالية من مسحوق الكربون تحت ظروف مختلفة. فعندما تم هز الخليط فقط لترتيبه، احتفظت الخرسانة الناتجة بجزء ضئيل فقط من قوتها الأصلية، وأصبحت ضعيفة جداً. ومع ذلك، عندما تم ضغط نفس الخليط بقوة كبيرة، احتفظت بجميع قوتها تقريباً، وأدت أداءً يقارب أداء الخرسانة العادية الخالية من أي كربون. أظهر هذا أن طريقة التعامل مع المادة أثناء البناء لا تقل أهمية عن المكونات نفسها. لقد ساعد الضغط جزيئات الكربون على الاتصال بشكل صحيح دون خلق نقاط ضعف، مما أثبت أن المعالجة يمكن أن تحول وصفة فاشلة إلى وصفة ناجحة.

كما استكشفت الدراسة المقايضة بين القوة وتخزين الطاقة. كان بعض الباحثين يأملون في إنشاء خرسانة يمكن أن تعمل كمكثف فائق هيكلي، مما يعني أن المبنى نفسه يمكنه تخزين الكهرباء. وقد كشفت البيانات أنه يوجد حد لكيفية حشد أكبر قدر من الطاقة في كتلة واحدة من الخرسانة دون التضحية بقدرتها على تحمل الوزن. فعندما حاول الباحثون تعظيم تخزين الطاقة بإضافة كميات هائلة من الكربون، أصبحت الخرسانة ضعيفة جداً لدرجة أنها بالكاد تستطيع تحمل وزنها. ومع ذلك، من خلال استخدام تصميم أكثر ذكاءً حيث يتم ترتيب الكربون في شبكة محددة أو فصله إلى طبقات مختلفة، وجدوا مواد يمكنها تخزين كمية كبيرة من الطاقة مع بقائها قوية بما يكفي للاستخدام في مبنى. على سبيل المثال، نجح تصميم يستخدم شبكة تشبه الجسر من أنابيب الكربون النانوية في تخزين كمية كبيرة من الطاقة مع الحفاظ على مستوى عالٍ من القوة، بينما كان خليط أبسط وأكثر ضخامة يحتوي على المزيد من الكربون يخزن طاقة أكثر، ولكنه كان ضعيفاً للغاية بحيث لا يصلح للاستخدام الإنشائي.

وتعلق اكتشاف آخر بالغ الأهمية بكيفية انتقال الطاقة لاسلكياً للمركبات الكهربائية في المستقبل. فهناك أمل متزايد في أن الطرق يمكن أن تشحن السيارات أثناء سيرها فوقها باستخدام المجالات المغناطيسية. وقد تحقق الباحثون مما إذا كانت الخرسانة الممزوجة بالكربون التي درسوها ستعمل مع هذه التكنولوجيا. ووجدوا فجوة كبيرة في المعرفة الحالية؛ فبينما اختبرت دراسات عديدة كيفية سلوك الخرسانة الكربونية مع الكهرباء أو موجات الراديو عالية التردد، لم تختبر أي منها تقريباً التردد المنخفض المحدد المستخدم للشحن اللاسلكي. وأظهرت البيانات أن الخصائص الكهربائية لهذه المواد عند السرعات العالية لا تتنبأ بالضرورة بكيفية سلوكها عند السرعات الأبطأ المطلوبة للشحن. وفي الواقع، وجد الباحثون أنه لا يوجد دليل مباشر بعد على أن الخرسانة الكربونية تعمل جيداً لهذا الغرض، واستنتجوا أنه رغم جعل الكربون الخرسانة موصلة، إلا أنه لا يجعلها تلقائياً متوافقة مع أنظمة الشحن المغناطيسي، وأن هناك حاجة إلى اختبارات جديدة لمعرفة ما إذا كان الكربون قد يعيق عملية الشحن بالفعل.

نظر الباحثون أيضاً في مدى استمرار هذه المواد الجديدة في العمل. ووجدوا أن المادة قد تبدأ بقدرة عالية على تخزين الطاقة ولكنها تفقد هذه القدرة بسرعة بمرور الوقت. وبعض التصاميم التي بدت واعدة في بداية الاختبار فقدت أكثر من نصف قدرتها على تخزين الطاقة بعد بضع مئات من الدورات فقط. أما التصاميم الأخرى، التي استخدمت تصميماً أكثر تعقيداً بوجود طبقات منفصلة لتخزين الطاقة وحمل الوزن، فقد حافظت على أدائها لفترة أطول بكثير. وهذا يشير إلى أنه لكي تكون البنية التحتية مفيدة حقاً، لا يمكنها فقط أن تكون قوية ووظيفية في اليوم الأول، بل يجب تصميمها لتتحمل آثار الاستخدام اليومي، بما في ذلك التغيرات في الرطوبة ودرجة الحرارة. لقد سلطت الدراسة الضوء على أن المتانة هي تحدٍ منفصل عن الأداء الأولي، وأن المادة التي قد تبدو رائعة في المختبر قد تفشل في العالم الحقيقي إذا لم تتمكن من الحفاظ على هيكلها عبر آلاف الدورات.

في نهاية المطاف، يشير هذا التحليل إلى أن مستقبل الخرسانة الذكية لا يكمن في مجرد صب المزيد من الكربون في الخليط، بل في هندسة البنية الداخلية للمادة بعناية. ويقترح الباحثون نهج "الحد الأدنى من الصراع"، حيث يتم تخصيص الوظائف المختلفة للخرسانة — حمل الوزن، وتوصيل الكهرباء، وتخزين الطاقة — لأجزاء مختلفة من المادة بدلاً من فرضها جميعاً في كتلة واحدة متجانسة. ومن خلال الحفاظ على الهيكل الإنشائي الرئيسي قوياً ومتصلاً، ثم إضافة طبقات أو شبكات متخصصة ورقيقة للوظائف الكهربائية، يمكن للمهندسين إنشاء مواد قوية وذكية في آن واحد. هذا النهج يحترم الحدود الفيزيائية للمواد، مقراً بأنه لا يمكنك تعظيم كل خاصية في وقت واحد. وبدلاً من ذلك، فإنه يقدم مساراً عملياً للمضي قدماً، مستخدماً الدروس المستفادة من مئات التجارب السابقة لتصميم بنية تحتية يمكنها حقاً تلبية الاحتياجات المعقدة لعالم حديث يعتمد على الكهرباء.