صناعة

إمكانات الجرافين لأنظمة الطاقة المتجددة

إمكانات الجرافين لأنظمة الطاقة المتجددة

هيكل الجرافين [الصورة:العلوم الرياضية والفيزيائية بجامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس ، فليكر]

في وقت سابق من هذا العام ، في أواخر يناير ، أعلنت جامعتا مانشستر وأبو ظبي عن نيتهما التعاون في مشروع لإنتاج رغوة تحتوي على الجرافين ، وهي مادة تتكون من طبقة واحدة من ذرات الكربون مرتبة في شبكة قرص العسل أقوى 10 مرات من الفولاذ ولكن أخف بـ 1000 مرة من ورقة لكل وحدة مساحة.

تم اكتشاف الجرافين لأول مرة في مختبر بجامعة مانشستر في عام 2004 بعد سنوات من محاولات العلماء لإنتاج طبقة واحدة من الكربون والكثير من التنظير ، حيث تمت ملاحظته من خلال مجهر إلكتروني في عام 1962. استخدم الأستاذان أندريه جيم وكونستانتين نوفوسيلوف عملية تسمى ' تقنية الشريط اللاصق "حيث تم استخدام الشريط اللاصق مرارًا وتكرارًا لتقشير طبقات الجرافين من قطعة من الجرافيت حتى تبقى طبقة واحدة فقط من الذرات. حصل هذا العالمين على جائزة نوبل في عام 2010.

في المستقبل القريب ، يمكن استخدام الجرافين في المكونات الكهربائية وعناصر أخرى مثل المستشعرات والبطاريات والمركبات وأغشية التبادل الأيوني وغيرها من المنتجات. سيركز فريق البحث على ثلاثة مشاريع تتضمن الجرافين والمواد ثنائية الأبعاد التي يمكن استخدامها في مجموعة من التطبيقات. سيقوم أحد المشاريع بتطوير تقنية طباعة نفث الحبر منخفضة التكلفة لبناء أجهزة استشعار دقيقة. يمكن بعد ذلك استخدام هذه في قطاع الطاقة والتطبيقات العسكرية. سينظر مشروع آخر في إمكانية استخدام الجرافين في تحلية المياه.

أوضح البروفيسور برايان ديربي من جامعة مانشستر ، متحدثًا إلى The Engineer ، أن ميزة استخدام الجرافين في أقطاب البطارية ، على سبيل المثال لا الحصر ، هي أنه يحتوي على مساحة سطح عالية جدًا ومع ذلك لا يتجاوز سمكه ذرة واحدة. ومع ذلك ، لكي تكون المادة مفيدة ، يجب تجميع الطبقات السميكة للذرة في كائن ثلاثي الأبعاد. هذا هو السبب في أن الباحثين سيحاولون إنتاج رغوة من الجرافين لتطوير طرق تغليف المواد بحيث يمكن تجميعها في الفضاء مع الاحتفاظ بمساحة سطحها قدر الإمكان. يأمل الفريق أيضًا في تطوير مركبات يتم فيها تشتيت رقائق الجرافين داخل مصفوفة بوليمر ، مما يؤدي إلى تكوين مركب قوي ولكنه لا يزال عمليًا.

أبحاث الجرافين في جامعة إكستر بالمملكة المتحدة [الصورة:جامعة اكستر ، فليكر]

كيف يمكن للجرافين أن يفيد قطاع الطاقة المتجددة؟

في عام 2011 ، وجد المهندسون في جامعة نورث وسترن أن أنودات الجرافين تمتلك طاقة أفضل من الجرافيت ، مما يتيح شحن بطارية أفضل بعشر مرات ، مع تطبيقات محتملة تشمل الاستخدام في السيارات الكهربائية (EVs). في عام 2013 ، توقع باحثون في جامعة رايس بتكساس أن الجرافين ، مع إضافة بعض ذرات البورون ، يمكن استخدامه لإنتاج أنود مرن للغاية لبطاريات الليثيوم أيون. يساعد البورون أيونات الليثيوم على الالتصاق بالجرافين ، مما يساعد على توفير شحن سريع ، وهذا هو السبب في إجراء أبحاث جامعة رايس بالاشتراك مع شركة هوندا ، وهي واحدة فقط من العديد من الشركات المصنعة للسيارات التي تنتج حاليًا طرازات كهربائية جديدة. أبدت شركات أخرى ، مثل كيا وهيونداي اهتمامًا بالمواد ، حيث قامت كلتا الشركتين بتسجيل براءات اختراع لاستخدام الجرافين في خلايا الوقود.

وجد باحثو جامعة رايس أيضًا أنه يمكن استخدام الجرافين الممزوج بأكسيد الفاناديوم لتطوير كاثودات عالية الأداء وفعالة من حيث التكلفة يمكن إعادة شحنها في غضون 20 ثانية والاحتفاظ بأكثر من 90 في المائة من سعتها بعد الاستخدام المكثف. يمكن أيضًا استخدام الجرافين للمكثفات الفائقة وقد اكتشف باحثو جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس أنه يمكن تغطيته على قرص DVD. يمكن بعد ذلك استخدام ناسخ أقراص DVD لإدخال ملايين الدوائر الفائقة المكثف في طبقة الجرافين والتي يمكن بعد ذلك تقشيرها واستخدامها من قبل أي شخص يحتاج إلى بطارية ذات طاقة فائقة. اكتشف العلماء في السويد أيضًا أن مادة maghemite ، وهي نوع من أكسيد الحديد مشابه للخام الأحمر ، يمكن إضافتها إلى الجرافين مما يتسبب في انقلابها في لفة نانوية. يمكن بعد ذلك استخدامها كأقطاب كهربائية في بطاريات أيونات الليثيوم.

يعتقد البروفيسور فورسيث من كلية الهندسة الكهربائية والإلكترونية بجامعة مانشستر أن الجرافين يمكن أن يساعد في تعزيز كفاءة المركبات الكهربائية من خلال تقليل وزن البطاريات التي يمكن أن تزن حاليًا حوالي 200 كيلوغرام. سيساعد هذا أيضًا على توسيع نطاق المركبات الكهربائية إلى ما بعد 100 كيلومتر ، ويعتبر القلق من المدى حاليًا العامل الرئيسي الذي يؤخر امتصاصها. ومع ذلك ، يمكن أن يؤدي استخدام الجرافين في البطاريات أيضًا إلى تعزيز قطاع تخزين الطاقة ، حيث قامت جامعة مانشستر نفسها بتجربة بطارية على نطاق الشبكة ونظام محول في حرمها الجامعي.

Mercedes SLS AMG E-cell في معرض جنيف للسيارات [الصورة:سيدريك راميريز ، فليكر]

فيما يتعلق بالطاقة الشمسية الكهروضوئية ، يمكن استخدام الجرافين لتطوير طلاءات مضادة للانعكاس للخلايا الشمسية ، وجد الباحثون في الهند أن المادة يمكن أن تقلل الانعكاس بالقرب من الجزء فوق البنفسجي من الطيف الشمسي من 35 في المائة إلى 15 في المائة فقط. وجد Silvija Gradečak من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) أيضًا أن الجرافين في الخلايا الكهروضوئية يمكن أن يوفر كفاءة أعلى في تحويل الطاقة بينما وجد باحثون آخرون في جامعة ميشيغان التكنولوجية أن الجرافين يمكن أن يحل محل البلاتين في أقطاب الخلايا الشمسية دون فقدان الكفاءة.

راجع أيضًا: 10 سيارات كهربائية وهجينة مشهورة جدًا

استخدام محتمل آخر للمادة هو استبدال أكسيد الإنديوم القصدير (ITO) في الخلايا الشمسية. هذه مادة نادرة ومكلفة. يتم استخدامه حاليًا للأقطاب الكهربائية الشفافة ولكنه أيضًا هش للغاية. يأمل علماء معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في تطوير خلية شمسية جديدة مصنوعة من الجرافين وثاني كبريتيد الموليبدينوم ، مما ينتج عنه خلية شمسية رقيقة وخفيفة بكفاءة أكبر 1000 مرة من ألواح السيليكون التقليدية.

في المركبات الكهربائية التي تعمل بخلايا الوقود (FCEVs) ، يمكن أن يساعد الجرافين في تقليل تكلفة وقود الهيدروجين المتجدد والذي بدوره يعني المزيد من محطات وقود الهيدروجين بسبب انخفاض تكاليف المعالجة. أظهر علماء جامعة رايس أن الجرافين المخدر بالنيتروجين والمُضاف إلى الكوبالت عامل مساعد فعال ودائم لإنتاج الهيدروجين من الماء ، ليحل محل البلاتين باهظ الثمن.

حتى الآن ، يبدو أن التطبيقين الرئيسيين للطاقة المتجددة للجرافين هما الخلايا الشمسية والبطاريات للمركبات الكهربائية ، على الرغم من أن السوق الإجمالي للمادة الآن تبلغ قيمته أكثر من 9 ملايين دولار عبر أشباه الموصلات والإلكترونيات والبطاريات والمركبات.

مركز ابتكار هندسة الجرافين الجديد (GEIC) التابع لجامعة مانشستر [الصورة:جامعة مانشستر]

المملكة المتحدة تتقدم الآن في هذا الأمر ، وجامعة مانشستر تسير الآن على الطريق الصحيح نحو بناء مركز ثاني متخصص لأبحاث الجرافين والذي تم منحه للتو إذن التخطيط في 15العاشر شهر فبراير. سيركز مركز ابتكار هندسة الجرافين (GEIC) على تطوير وتطبيق منتجات الجرافين التي تقودها الصناعة ، بالتعاون مع معهد الجرافين الوطني (NGI) ومعهد السير هنري رويس لأبحاث المواد المتقدمة من أجل تمكين تطوير الجرافين من البحث الأولي عن المنتجات النهائية ، وبالتالي جعل مانشستر مركزًا عالميًا رائدًا لأبحاث الجرافين. وسينصب التركيز على تحسين المواد الموجودة حاليًا وفتح أسواق جديدة بتمويل لمركز "GEIC" مقدم إلى حد كبير من شركة أبوظبي للطاقة المتجددة "مصدر" ومجلس تمويل التعليم العالي لصندوق الاستثمار البريطاني للشراكة البحثية في إنجلترا (UKRPIF). ومن المقرر الانتهاء من إنشاء المركز بحلول نهاية عام 2017.


شاهد الفيديو: مصر تستطيع - حلقة بنبان أسوان الطاقة المتجددة مع الإعلامي أحمد فايق الجمعة 29-3-2019 (كانون الثاني 2022).