كاوست تبتكر حلاً بسيطًا يطيل عمر البطاريات المائية بأكثر من عشرة أضعاف
البلاد (ثُوَل)
كشف علماء من جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (كاوست) عن سبب جزيئي رئيسي يحدّ من قدرة البطاريات المائية القابلة لإعادة الشحن على أن تكون خيارًا أكثر أمانًا وأقل تكلفة لتخزين الطاقة المستدامة. وأظهرت نتائج الدراسة، المنشورة في المجلة العلمية Science Advances، كيف تؤثر المياه داخل البطارية سلبًا على عمرها وأدائها، وكيف أن إضافة أملاح منخفضة التكلفة – مثل كبريتات الزنك – يمكن أن تحدّ من هذه المشكلة وتزيد عمر البطارية بأكثر من عشرة أضعاف.
يُعدّ المَصْعَد (الأنود) – وهو مسرى كهربائي يمر خلاله تيار كهربائي ضمن جهاز كهربائي ذي أقطاب- أحد العوامل الحاسمة في تحديد عمر البطارية، سواء كانت مائية أم لا، إذ تحدث فيه التفاعلات الكيميائية المسؤولة عن توليد وتخزين الطاقة. غير أن بعض التفاعلات الجانبية غير المرغوبة تؤدي إلى تدهوره، ما يقلل من عمر البطارية.
وأظهرت الدراسة الجديدة أن المياه الحرة – أي جزيئات الماء غير المرتبطة بقوة بجزيئات أخرى – تساهم في حدوث هذه التفاعلات الجانبية، بينما يقلل وجود كبريتات الزنك من كمية المياه الحرة داخل البطارية.
وقال البروفيسور حسام الشريف، أستاذ ورئيس مركز كاوست للتميّز في الطاقة المتجددة وتقنيات التخزين (CREST) وقائد الفريق البحثي في هذه الدراسة: ' تسلط نتائجنا الضوء على أهمية بنية المياه في كيمياء البطاريات، وهي عامل رئيسي تم تجاهله في السابق'.
تسمح المياه الحرة بالتفاعل بسهولة مع المزيد من الجزيئات، ما يؤدي إلى تفاعلات غير مرغوبة تستهلك الطاقة وتتلف المَصْعَد. وأظهرت الدراسة أن أيونات الكبريتات تعمل بمثابة 'لاصق للماء' يثبت الروابط بين جزيئات المياه الحرة، ويغير ديناميكيتها، ما يقلل عدد التفاعلات الجانبية الضارة.
ورغم أن الجزء الأكبر من التجارب أُجري على بطاريات تستخدم كبريتات الزنك، تشير نتائج أولية إلى أن التأثير نفسه يحدث مع مصاعد معدنية أخرى، ما يفتح المجال أمام استخدام أملاح الكبريتات كحل عالمي لزيادة عمر جميع البطاريات المائية القابلة لإعادة الشحن.
وقال الدكتور يونبي زو، الباحث في كاوست والذي أجرى معظم التجارب 'أملاح الكبريتات منخفضة التكلفة ومتوفرة على نطاق واسع ومستقرة كيميائيًا، ما يجعل حلّنا قابلًا للتطبيق علميًا واقتصاديًا'.
وتحظى البطاريات المائية باهتمام عالمي متزايد كحل مستدام لتخزين الطاقة على نطاق واسع، ومن المتوقع أن يتجاوز حجم سوقها 10 مليارات دولار بحلول عام 2030. وعلى عكس بطاريات الليثيوم الشائعة في السيارات الكهربائية، تُعد البطاريات المائية خيارًا أكثر أمانًا وأقل بصمة بيئية لدمج مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية في شبكات الكهرباء، وهو هدف محوري في مسار تحول الطاقة في المملكة العربية السعودية.
وقد شارك في هذه الدراسة أيضًا أساتذة كاوست عمر محمد وعثمان بكر وشيشيانغ زانغ وماني ساراثي.
وأشار الشريف إلى أن الجمع بين علماء مركز التميّز للطاقة المتجددة وتقنيات التخزين الذين يمتلكون خلفيات متكاملة، مثل تصميم البطاريات والنمذجة الكهروكيميائية، والأدوات التجريبية، مثل التحليل الطيفي المتقدم والمجهرية، كان أمراً بالغ الأهمية للاكتشاف.
وقال: 'تأسس مركز التميّز للطاقة المتجددة وتقنيات التخزين في كاوست ليكون رائدًا في مجال ابتكار الطاقة المتجددة في المملكة. وتؤكد النتائج التي حققناها والتحسينات الكبيرة في أداء واستقرار البطاريات المائية على ما يمكننا إنجازه في كاوست من خلال توحيد الجهود والاستفادة من خبرات أعضاء المركز المتنوعة والمتميزة'.
جرب ميزات الذكاء الاصطناعي لدينا
اكتشف ما يمكن أن يفعله Daily8 AI من أجلك:
التعليقات
لا يوجد تعليقات بعد...
أخبار ذات صلة
صحيفة مال
منذ 2 ساعات
- صحيفة مال
الذكاء الاصطناعي يكتشف بدائل واعدة لبطاريات الليثيوم
في خطوة علمية قد تعيد تشكيل مستقبل قطاع الطاقة، نجح باحثون من معهد نيوجيرسي للتقنية (NJIT) في استخدام الذكاء الاصطناعي لاكتشاف بدائل فعالة ومستدامة لبطاريات الليثيوم-أيون، التي تواجه تحديات في سلاسل الإمداد العالمية وقضايا تتعلق بالاستدامة. ووفقا لـ 'البوابة العربية' قد نُشرت نتائج هذا الإنجاز في مجلة (Cell Reports Physical Science)، وأظهر الفريق بقيادة البروفيسور ديباكار داتا، أن الذكاء الاصطناعي التوليدي يمكنه تسريع عملية اكتشاف مواد جديدة تمامًا، تُعدّ مثالية لاستخدامها في بطاريات الأيونات المتعددة التكافؤ. وتتميّز هذه البطاريات باستخدام عناصر متوفرة بكثرة مثل: المغنيسيوم، والكالسيوم، والألمنيوم، والزنك، مما يجعلها بديلًا اقتصاديًا وصديقًا للبيئة مقارنة ببطاريات الليثيوم الحالية. جوهر المشكلة.. تحديات بطاريات الليثيوم والحاجة إلى بدائل: تعتمد البنية التحتية للطاقة الحديثة بنحو كبير على بطاريات الليثيوم، لكنها تواجه تحديات متزايدة تتعلق بالاستدامة، وارتفاع التكلفة، ومحدودية الإمدادات العالمية لعنصر الليثيوم. ومن هنا، برزت بطاريات الأيونات المتعددة التكافؤ كبديل واعد، إذ تعتمد هذه البطاريات على عناصر متوفرة بكثرة في الطبيعة ورخيصة الثمن مثل: المغنيسيوم، والكالسيوم، والألمنيوم، والزنك. كما تتفوق هذه البطاريات في قدرتها على حمل شحنات كهربائية مضاعفة، فبينما يحمل أيون الليثيوم شحنة موجبة واحدة (1+)، تحمل أيونات العناصر المتعددة التكافؤ شحنتين (2+) وحتى ثلاث شحنات موجبة (3+). وتمنحها هذه الخاصية القدرة النظرية على تخزين طاقة أكبر بكثير ضمن الحجم نفسه، مما يجعلها حلًا مثاليًا لتطبيقات المستقبل التي تتطلب كثافة طاقة عالية. ومع ذلك تأتي هذه الميزة مع تحدٍ كبير، يكمن في أن حجم هذه الأيونات الكبير وشحنتها العالية يجعلان حركتها واستيعابها داخل المواد الصلبة للبطارية أمرًا صعبًا للغاية، مما يعوق تطويرها العملي لعقود. نهج الذكاء الاصطناعي المزدوج لتسريع الاكتشاف: للتغلب على هذه العقبة، طوّر فريق معهد نيوجيرسي للتقنية نهجًا مبتكرًا يعتمد على نظام ذكاء اصطناعي مزدوج، يشمل: نموذج الترميز التلقائي التبايني لانتشار البلورات (CDVAE): دُرب هذا النموذج على قواعد بيانات ضخمة تضم آلاف الهياكل البلورية المعروفة. وبناءً على هذه المعرفة، أصبح النموذج قادرًا على اقتراح هياكل بلورية جديدة تمامًا وغير مكتشفة سابقًا، مما فتح الباب أمام احتمالات لا حصر لها. دُرب هذا النموذج على قواعد بيانات ضخمة تضم آلاف الهياكل البلورية المعروفة. وبناءً على هذه المعرفة، أصبح النموذج قادرًا على اقتراح هياكل بلورية جديدة تمامًا وغير مكتشفة سابقًا، مما فتح الباب أمام احتمالات لا حصر لها. نموذج لغوي كبير (LLM) مُعدّل بدقة: ضُبط هذا النموذج بدقة للقيام بمهمة محددة، وهي تقييم الهياكل المقترحة من نموذج (CDVAE) السابق، والتركيز في تلك التي تتمتع بأعلى درجات الاستقرار الديناميكي الحراري، ويُعدّ هذا الاستقرار عاملًا حاسمًا؛ لأنه يحدد إمكانية تصنيع المادة فعليًا في المختبر. ومن خلال الجمع بين قدرة النموذج الأول على الإبداع وقدرة النموذج الثاني على التقييم الدقيق، تمكن الباحثون من تمحيص آلاف المواد المحتملة بسرعة غير مسبوقة، وهو ما كان سيتطلب ملايين الساعات من التجارب المخبرية التقليدية. نتائج استثنائية وآفاق مستقبلية: أثمر هذا النهج المتطور نتائج مذهلة، إذ أعلن الفريق اكتشاف خمسة هياكل جديدة تمامًا من أكاسيد الفلزات الانتقالية المسامية، وتتميز هذه المواد ببنية فريدة تحتوي على قنوات داخلية واسعة ومفتوحة، وهي بيئة مثالية للسماح للأيونات المتعددة التكافؤ الضخمة بالتحرك بسرعة وأمان، مما يحل المشكلة الأساسية التي كانت تعوق هذه التقنية. ولتبيُّن جدوى هذه الاكتشافات، تحقق الفريق من صحة الهياكل المقترحة باستخدام محاكاة ميكانيكا الكم واختبارات الاستقرار المتقدمة، التي أكدت أن هذه المواد ليست مستقرة نظريًا فحسب، بل يمكن تصنيعها عمليًا وتوظيفها في تطبيقات حقيقية. وقد أكد البروفيسور داتا، أن أهمية نهجهم القائم على الذكاء الاصطناعي تتجاوز اكتشاف مواد جديدة للبطاريات، فهو يضع منهجية سريعة وقابلة للتطوير لاستكشاف أي مواد متقدمة، سواء كانت للإلكترونيات أو الطاقة النظيفة، دون الحاجة إلى التجربة والخطأ المكثفين. ويخطط الفريق الآن للخطوة التالية، وهي التعاون مع مختبرات تجريبية متخصصة لتصنيع هذه المواد الجديدة واختبار أدائها الفعلي، مما يقربنا أكثر من أي وقت مضى من تحقيق حلم بطاريات الأيونات المتعددة التكافؤ القابلة للتطبيق تجاريًا. تكامل الذكاء الاصطناعي وعلوم المواد: يمثل هذا التقدم خطوة إستراتيجية نحو مستقبل أكثر استدامة وكفاءة في مجال تخزين الطاقة، بفضل التكامل المتزايد بين الذكاء الاصطناعي وعلوم المواد، ففي ظل تنامي الحاجة العالمية إلى بدائل نظيفة لبطاريات الليثيوم، فإن ما توصل إليه فريق معهد نيوجيرسي للتقنية (NJIT) قد يشكّل قفزة نوعية في هذا المجال، كما يؤكد هذا الاكتشاف الدور المحوري للذكاء الاصطناعي في تسريع الابتكارات العلمية، التي تعالج التحديات البيئية والاقتصادية الكبرى.
الرياض
منذ 19 ساعات
- الرياض
وزير «البيئة» يشهد توقيع اتفاقية لدعم أبحاث الشعاب المرجانية
شهد معالي وزير البيئة والمياه والزراعة المهندس عبدالرحمن بن عبدالمحسن الفضلي بمقر الوزارة بالرياض توقيع اتفاقية تمويل بحث علمي نوعي بين صندوق البيئة والمنصة العالمية لتسريع أبحاث وتطوير الشعاب المرجانية (CORDAP)، وذلك ضمن الجهود الرامية إلى تعزيز الدور الريادي للمملكة في قيادة المبادرات البيئية على المستوى الدولي، وتأكيد حضورها الفاعل ضمن مجموعة العشرين. وتهدف الاتفاقية لدعم مشروع بحثي متخصص في حماية واستعادة الشعاب المرجانية، يقوم على أسس علمية مبتكرة تسهم في تطوير حلول بيئية مستدامة، ومواجهة تحديات تغير المناخ، بما يعكس التزام المملكة بمبادئ الاستدامة وتعزيز الشراكات البيئية العالمية. وتعكس هذه الخطوة اهتمام الوزارة بتوسيع نطاق التعاون مع الجهات الدولية الرائدة في مجال البيئة، كما تأتي ترجمة لرؤية المملكة 2030 نحو بناء منظومة بيئية متكاملة تستند إلى العلم والتقنية، وتدعم الابتكار في معالجة التحديات البيئية على مستوى العالم. وتُعد (CORDAP) إحدى المبادرات العالمية البارزة التي أطلقتها المملكة خلال رئاستها لمجموعة العشرين عام 2020، وتهدف إلى تسريع البحث والتطوير لحماية الشعاب المرجانية، وتتخذ من جامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية (كاوست) مقرًا لها وتعمل على دعم وتمويل المشروعات العلمية وتنسيق الشراكات الدولية لتحقيق الاستدامة البيئية وفق مستهدفات رؤية المملكة 2030.
الاقتصادية
منذ يوم واحد
- الاقتصادية
السعودية تعزز الاستدامة البيئية باتفاقية لدعم أبحاث تطوير الشعاب المرجانية
وقعت في الرياض اليوم اتفاقية تمويل بحث علمي نوعي بين صندوق البيئة والمنصة العالمية لتسريع أبحاث وتطوير الشعاب المرجانية (CORDAP)، وذلك ضمن الجهود الرامية إلى تعزيز دور السعودية في قيادة المبادرات البيئية على المستوى الدولي، وتأكيد حضورها الفاعل ضمن مجموعة العشرين. تهدف الاتفاقية التي شهد إبرامها وزير البيئة والمياه والزراعة المهندس عبدالرحمن الفضلي اليوم في مقر الوزارة في الرياض إلى دعم مشروع بحثي متخصص في حماية واستعادة الشعاب المرجانية، يقوم على أسس علمية مبتكرة تسهم في تطوير حلول بيئية مستدامة، ومواجهة تحديات تغير المناخ، بما يعكس التزام السعودية بمبادئ الاستدامة وتعزيز الشراكات البيئية العالمية. تعكس هذه الخطوة اهتمام الوزارة بتوسيع نطاق التعاون مع الجهات الدولية في مجال البيئة، كما تأتي ترجمة لرؤية السعودية 2030 نحو بناء منظومة بيئية متكاملة تستند إلى العلم والتقنية، وتدعم الابتكار في معالجة التحديات البيئية على مستوى العالم. وتُعد (CORDAP) إحدى المبادرات العالمية التي أطلقتها السعودية خلال رئاستها مجموعة العشرين عام 2020، وتهدف إلى تسريع البحث والتطوير لحماية الشعاب المرجانية، وتتخذ من جامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية (كاوست) مقرًا لها وتعمل على دعم وتمويل المشاريع العلمية وتنسيق الشراكات الدولية لتحقيق الاستدامة البيئية وفق مستهدفات رؤية 2030.
