علماء يبتكرون عازلا حراريا صديقا للبيئة من قش القمح
وتعتمد المواد التقليدية -المستخدمة بالعزل الحراري- لتنظيم درجات الحرارة في الأبنية، لكنها تستهلك كميات من الطاقة بصورة كبيرة أثناء تصنيعها، مما يُسهم في انبعاث كميات ضخمة من الغازات المسببة للاحتباس الحراري.
وعكف الدكتور تشي تشو، أستاذ الهندسة بجامعة بافالو الأميركية وفريق من الباحثين على تطوير بديل عضوي وأكثر استدامة باستخدام قش القمح. وأوضح تشو أن الكتلة الحيوية مثل قش القمح يمكن حصادها وإعادة زراعتها بشكل دوري، مما يجعلها خيارا بيئيا ممتازا.
وبحسب الفريق، يتميز قش القمح بخصائص عزل حراري عالية، وقدرة على تحمل الضغط، إضافة إلى مقاومته الكبيرة للاشتعال مقارنة بمواد عضوية أخرى. وأوضح تشو أن الخصائص المتفوقة لقش القمح تعود إلى بنيته الطبيعية الليفية والمسامية، والتي تعزز قدرته على العزل.
وبدأ تشو وفريقه البحثي عام 2022 دراسة كيفية طباعة مادة عازلة مستخلصة من قش القمح باستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد.
وعمل فريق البحث في مختبر بجامعة بافالو لصناعة نماذج أولية لألواح العزل، وذلك عبر تحويل القش إلى ألياف تُربط بروابط هيدروجينية بين مركبات عضوية ومجموعات هيدروكسيل في سليلوز القش، ومن ثم تُحوّل إلى حبر قابل للطباعة.
ويُعد هذا البحث الأول من نوعه الذي يستعرض إمكانية استخدام ألياف قش القمح في الطباعة ثلاثية الأبعاد لهياكل العزل الحراري. وبحسب تشو، فإن هذه التقنية تُسهم في إنتاج مادة تتميز بقوة ميكانيكية عالية ومتانة طويلة الأمد.
وعادة ما تنقسم مواد العزل الحراري إلى 4 فئات: غير عضوية، ومركبة، ومتقدمة، وغير عضوية. وتهيمن الأخيرة -مثل الصوف الزجاجي والصوف الصخري- على السوق، نظرا لتكلفتها المحدودة، إلا أن عملية تصنيعها تعتمد على الوقود الأحفوري مما يزيد من بصمتها الكربونية.
وفي المقابل، يُعد قش القمح مادة طبيعية متجددة وقابلة للتحلل الحيوي، مما يمنحه مزايا بيئية كبيرة. وتتضمن عملية التصنيع سحق الألياف وتحويلها إلى عجينة تُجفف في قوالب خاصة لإنتاج حبر طباعة كثيف يُستخدم في بناء هياكل العزل.
وقال تشو إن خصائص القش من حيث الكثافة المنخفضة والمحدودية الحرارية مما يجعله مثاليًا لتطبيقات البناء والعزل. كما أن هذا الابتكار يسمح باستخدام القش في صناعة أدوات منزلية وقطع أثاث ومنتجات زخرفية، مع إمكانية بناء مصانع قريبة من المزارع لتقليل انبعاثات النقل وتعزيز الاقتصاد المحلي.
ومن التحديات التي واجهت الفريق بطء الطابعات التقليدية وصغر نطاقها. غير أن الفريق طوّر طابعة بفوهات متعددة وفتحات عريضة لتوزيع المادة بسرعة وانتظام، مع تصميم نظام يضمن تدفقا مستقرا.
وبحسب تشو، فإن هذه الطريقة قابلة للتطوير الصناعي، ويأمل الباحثون في التعاون مع شركاء صناعيين قريبا لاختبار السوق وتحويل الابتكار إلى واقع تجاري.
وإذا تم اعتماد قش القمح على نطاق واسع، فسيُقلل ذلك من الانبعاثات والنفايات الزراعية، ويوفر خيارا مستداما واقتصاديا للعزل في قطاع البناء الذي يعد من بين القطاعات ذات الانبعاثات الكربونية العالية.
هاشتاغز
جرب ميزات الذكاء الاصطناعي لدينا
اكتشف ما يمكن أن يفعله Daily8 AI من أجلك:
التعليقات
لا يوجد تعليقات بعد...
أخبار ذات صلة
الجزيرة
منذ 16 ساعات
- الجزيرة
علماء يرصدون نبضة ضوئية أثناء مرورها في "الزمن التخيلي"
في الفيزياء، عادة يقيس العلماء الأحداث بالنسبة إلى الزمن الحقيقي، أي الوقت الذي نشعر به والمتمثل في الثواني والدقائق، لكن عندما يحاولون حل مشاكل معقدة جدا في نطاقات مثل ميكانيكا الكم تظهر معادلات رياضية تكون صعبة أو حتى مستحيلة الحل. هنا يأتي دور الزمن التخيلي، وهو مفهوم رياضي قدمه عالم الفيزياء البريطاني ستيفن هوكينغ، ويعتمد على الأعداد التخيلية التي تحتوي على الجذر التربيعي للسالب 1، ويستخدم في المعادلات فتكون أسهل بكثير، وأحيانًا تكشف حلولًا جديدة غير واضحة في الزمن الحقيقي. لا يعني الزمن التخيلي وجود "زمن موازٍ" أو أننا نعيش في نوعين من الزمن، بل هو عبارة عن أداة تجعل المعادلات الفيزيائية أسهل للتحليل. ومن ثم فإن العلماء يستخدمونه ليس لأنه "وقت غير حقيقي"، بل لأنه يساعد على رؤية المشاكل الفيزيائية من زاوية جديدة تجعلها أبسط أو تكشف أسرارًا خفية. زمن داخل الكوكسيل ولكن لأول مرة، تمكن فريق من علماء جامعة ميريلاند بقيادة إيزابيلا جيوفاني وستيفن أنلاج من رصد تأثير الزمن التخيلي على نبضة من الموجات الميكروية، وهو نوع من الضوء غير المرئي (الموجات الكهرومغناطيسية)، تمر عبر مادة داخل كوكسيل. والكوكسيل نوع من الكابلات أو الأنابيب يُستخدم لنقل الإشارات الكهربية أو الموجات الكهرومغناطيسية. وبحسب الدراسة التي نشرت في دورية "فيزكال ريفيو ليترز"، فإن النبضة أُرسلت من خلال دائرة مصنوعة من الكوكسيل، ثم قِيس خروجها بجهاز "أوسيلوسكوب" دقيق جدا، وقد لوحظ وجود تأخير صغير جدا في وقت المرور، وهو ما يتوافق مع ما توقعته نظرية الزمن التخيلي. ولفهم الفكرة، تخيل أنك ترسل صوت صفارة عبر نفق مستقيم، ثم في نهاية النفق توجد مرآة تعكس الصوت ليصل إليك في صورة صدى. في الزمن الواقعي، تقيس فرق الوقت بين إصدار الصوت ووصول الصدى لرؤية كم تأخر. لكن في الزمن التخيلي، تُضيف طابعًا "غير واقعي" للوقت، يقيس تأثيرات دقيقة جدا داخل النفق تصنع تأخيرا غير مرئي في الظروف العادية، لكن باستخدام تجارب متقدمة أصبح بالإمكان رصد أثره. هل هو زمن حقيقي؟ هذا يعني أن "الزمن التخيلي" يترك بصمة حقيقية قابلة للقياس على مرور الموجات الكهرومغناطيسية، لكنه في الوقت نفسه لا يعني أن الزمن التخيلي تحول إلى زمن حقيقي نعيشه أو أنه زمن مواز، ولكن الآثار الناتجة عنه يمكن أن تُلاحظ في الظواهر الطبيعية. فلا يزال في سياق رياضي، لكنه يترك أثرًا فيزيائيا ملموسًا. لكن المفيد في هذه التجارب أن هذا الرصد يحول الزمن التخيلي من مجرد فكرة رياضية مثيرة إلى ظاهرة قابلة للملاحظة فعليا، ويمكن أن يُستخدم لفهم كيف تتبعثر الموجات الكهرومغناطيسية داخل المواد، ومراقبة التأثيرات الدقيقة على الاتصال ونقل المعلومات. كذلك يتوقع العلماء أن يساعد هذا الكشف في تحسين تقنيات مثل أجهزة الاستشعار (الحسّاسات) وتخزين البيانات، كما قد يوضح كيف تتلف المعلومات أثناء مرورها عبر مواد مختلفة، كالألياف البصرية وغيرها من الوسائط.
الجزيرة
منذ يوم واحد
- الجزيرة
اليورانيوم الخفي في المغرب.. الأمل في مواجهة نقص الماء والطاقة
لطالما ارتبطت ثورة المغرب من خام الفوسفات باستخدامها في تصنيع الأسمدة، ثم لاحقا في تصنيع بطاريات الليثيوم أيون، لكن دراسة مغربية حديثة تشير إلى استخدام ثالث، يمكنه حل أزمتي العطش ونقص الطاقة، وهو استخراج اليورانيوم الخفي من صخور الفوسفات، لتشغيل مفاعلات نووية لتحلية مياه البحر، بحسب الدراسة المرجعية المنشورة بدورية"راديشن فيزيكس آند كمستري". ويواجه المغرب أزمة مائية خانقة، فمع ازدياد الجفاف وتكرار موجات الحرارة، تراجعت الموارد المائية إلى مستويات مقلقة، حتى أصبح نصيب الفرد من المياه سنويا أقل من 600 متر مكعب، بحسب تقارير الأمم المتحدة، وهو ما يصنف ضمن "الندرة المائية الحادة". وفي مقابل ذلك، هناك طلب متزايد على المياه في الزراعة، والصناعة، والمجتمعات الحضرية، وهو ما يفاقم المشكلة، ويجعل تحلية مياه البحر خيارا لا مفر منه لتأمين مصادر بديلة من المياه العذبة، غير أن هذا الحل يصطدم بعقبة التكلفة المرتفعة لمصادر الطاقة اللازمة لتشغيل محطات التحلية، فضلا عن الأثر البيئي السلبي لهذه المصادر التي تعتمد على الوقود الأحفوري. ولمواجهة هذه التحديات، تستكشف الدراسة التي أعدها باحثون من مختبر الفيزياء النووية والذرية والجزيئية بكلية العلوم جامعة شعيب الدكالي بمدينة الجديدة، توظيف المغرب تقنية جديدة نسبيا في المنطقة، وهي تحلية مياه البحر باستخدام الطاقة النووية، إذ تعتمد هذه التقنية على حرارة المفاعلات النووية لتبخير مياه البحر وفصل الأملاح عنها، ما يجعلها فعالة واقتصادية على المدى البعيد، وذات أثر بيئي منخفض مقارنة بمحطات التحلية التقليدية التي تعتمد على الوقود الأحفوري. لكن العقبة الأساسية لهذه الإستراتيجية تكمن في تأمين إمدادات دائمة من اليورانيوم، الوقود الأساسي لتشغيل المفاعلات النووية، ويمكن تجاوزها باللجوء إلى اليورانيوم الخفي في صخور الفوسفات، بحسب الدراسة. مفاجأة في قلب الفوسفات ويحتل المغرب المرتبة الأولى عالميا في احتياطي الفوسفات (نحو 50 مليار طن)، وقدرت الدراسة امتلاكه ضمن هذه الصخور كنزا دفينا يقدر بنحو 6.9 ملايين طن من اليورانيوم، ما يؤهله لأن يكون أكبر مصدر عالمي لليورانيوم غير التقليدي، أي المستخرج من مصادر غير خاماته المعدنية المباشرة. ويوجد اليورانيوم مختلطا داخل صخور الفوسفات على هيئة شوائب دقيقة جدا، أي أنه جزء من تركيبة الفوسفات نفسه، وعند معالجة الفوسفات في المصانع، وهي العملية التي يُنتج فيها الحمض الفوسفوري الرطب من أجل صناعة الأسمدة، يذوب جزء كبير من هذا اليورانيوم داخل الحمض كمركب كيميائي. وبما أن هذا الحمض منتج ثانوي مهم في صناعة الأسمدة الفوسفاتية، فإن وجود اليورانيوم فيه يعني أن هناك فرصة لاستخلاصه من العملية الصناعية نفسها، دون الحاجة إلى استخراج خامات جديدة من الأرض، حيث تشير كثير من الدراسات إلى أن أكثر من 80% من اليورانيوم الموجود في الفوسفات يتحلل في الحمض أثناء المعالجة، ما يعني إمكانية استخلاصه بسهولة نسبية لو توافرت التقنيات والدعم الصناعي المناسب. واستعرضت الدراسة المغربية ثلاث طرق واعدة لاستخلاص هذا اليورانيوم، أولها الاستخلاص بالمذيبات، وهي الطريقة الأكثر استخداما حاليا، وتعتمد على استخلاص اليورانيوم من "الحمض الفوسفوري الرطب"، وهو ناتج جانبي مهم في صناعة الأسمدة، وتُستخدم في هذه العملية مركبات عضوية خاصة قادرة على الارتباط بجزيئات اليورانيوم دون غيرها، ما يسمح بفصلها عن باقي مكونات الحمض. وفي هذه العملية، يُخلط الحمض مع المذيب العضوي، فينتقل اليورانيوم إلى الطبقة العضوية، بينما تبقى المكونات الأخرى في الطبقة المائية، وهذه الطريقة فعالة وتُستخدم صناعيا على نطاق واسع، لكن أبرز عيوبها أن بعض المركبات العضوية قد تكون سامة أو ملوثة للبيئة إن لم تعالج جيدا. أما الطريقة الثانية، وهي التبادل الأيوني، فتعتمد على استخدام راتنجات صناعية، لها شحنات كهربائية قادرة على جذب أيونات اليورانيوم واستبدالها بأيونات أخرى مثل الهيدروجين أو الصوديوم. وفي هذه الطريقة، تمر محاليل الفوسفات المحتوية على اليورانيوم بأعمدة مملوءة بالراتنجات، فتلتقط الراتنجات أيونات اليورانيوم وتُطلق بدلا منها أيونات غير مشعة، وتحقق هذه الطريقة دقة في العزل، وسهولة في إعادة استخدام الراتنجات بعد تنظيفها، أما عيوبها، فهي تحتاج إلى تجديد مستمر للراتنجات، وقد تكون مكلفة في التشغيل طويل الأمد. وأخيرا، تأتي تقنيات الأغشية والفصل الفيزيائي، والتي توصف بأنها مستقبل الاستخلاص النووي، حيث تعتمد على استخدام أغشية دقيقة أو نانوية قادرة على فصل جزيئات اليورانيوم بدقة عالية، وأشهر أمثلتها "التناضح العكسي"، والذي يعتمد على استخدام ضغط عالٍ لدفع المحلول عبر غشاء خاص يسمح بمرور الماء ويمنع اليورانيوم، وطريقة "الفصل النانوي"، المعتمدة على أغشية أكثر دقة قادرة على حجز جزيئات اليورانيوم دون الحاجة إلى مذيبات. ومزايا هذه الطريقة، أنها صديقة للبيئة ولا تعتمد على مركبات كيميائية ضارة، كما أنها أكثر كفاءة في حالات التركيز المنخفض لليورانيوم، أما عيوبها، فهي أنها لا تزال في مرحلة البحث والتطوير الصناعي، وتحتاج إلى استثمارات أولية مرتفعة. فرص إستراتيجية وتحديات واستغلال هذا المورد يفتح للمغرب آفاقا إستراتيجية متعددة تشير إليها الدراسة، أبرزها الاستقلال الطاقي، وذلك بتقليل الاعتماد على واردات الوقود النووي من الخارج، تحقيق الأمن المائي، بدعم مشاريع التحلية النووية لتوفير مياه الشرب للمواطنين، واحتلال المغرب موقعا دوليا رياديا كسوق الوقود النووي العالمية، وأخيرا تحقيق تنمية صناعية متكاملة، بربط قطاع الفوسفات بصناعات الطاقة والتقنيات النووية. كما أن هذه الخطوة تتماشى مع التوجهات العالمية نحو الاقتصاد الأخضر والطاقة النظيفة، خاصة في ظل الاهتمام الدولي المتزايد بالطاقة النووية كبديل منخفض الكربون. ورغم هذه المزايا، إلا أن الأمر لا يخلو من بعض التحديات التي أشارت إليها الدراسة، مثل ارتفاع تكلفة استخلاص اليورانيوم من الفوسفات بالمقارنة مع المصادر التقليدية، الحاجة إلى بنية تحتية صناعية متطورة قادرة على المعالجة الآمنة، نقص الأطر التشريعية التي تنظم أنشطة التعدين النووي غير التقليدي، المخاوف البيئية المرتبطة بالتخلص من النفايات المشعة.
الجزيرة
منذ يوم واحد
- الجزيرة
علماء يبتكرون عازلا حراريا صديقا للبيئة من قش القمح
أفادت دراسة حديثة أن قش القمح (التبن) يتميز بخصائص عزل حراري عالية، وقدرة على تحمل الضغط، إضافة إلى مقاومته الكبيرة للاشتعال مقارنة بمواد عضوية أخرى، مما يؤهله ليصبح قريبا مادة أساسية في عزل المنازل والمباني التجارية. وتعتمد المواد التقليدية -المستخدمة بالعزل الحراري- لتنظيم درجات الحرارة في الأبنية، لكنها تستهلك كميات من الطاقة بصورة كبيرة أثناء تصنيعها، مما يُسهم في انبعاث كميات ضخمة من الغازات المسببة للاحتباس الحراري. وعكف الدكتور تشي تشو، أستاذ الهندسة بجامعة بافالو الأميركية وفريق من الباحثين على تطوير بديل عضوي وأكثر استدامة باستخدام قش القمح. وأوضح تشو أن الكتلة الحيوية مثل قش القمح يمكن حصادها وإعادة زراعتها بشكل دوري، مما يجعلها خيارا بيئيا ممتازا. وبحسب الفريق، يتميز قش القمح بخصائص عزل حراري عالية، وقدرة على تحمل الضغط، إضافة إلى مقاومته الكبيرة للاشتعال مقارنة بمواد عضوية أخرى. وأوضح تشو أن الخصائص المتفوقة لقش القمح تعود إلى بنيته الطبيعية الليفية والمسامية، والتي تعزز قدرته على العزل. وبدأ تشو وفريقه البحثي عام 2022 دراسة كيفية طباعة مادة عازلة مستخلصة من قش القمح باستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. وعمل فريق البحث في مختبر بجامعة بافالو لصناعة نماذج أولية لألواح العزل، وذلك عبر تحويل القش إلى ألياف تُربط بروابط هيدروجينية بين مركبات عضوية ومجموعات هيدروكسيل في سليلوز القش، ومن ثم تُحوّل إلى حبر قابل للطباعة. ويُعد هذا البحث الأول من نوعه الذي يستعرض إمكانية استخدام ألياف قش القمح في الطباعة ثلاثية الأبعاد لهياكل العزل الحراري. وبحسب تشو، فإن هذه التقنية تُسهم في إنتاج مادة تتميز بقوة ميكانيكية عالية ومتانة طويلة الأمد. وعادة ما تنقسم مواد العزل الحراري إلى 4 فئات: غير عضوية، ومركبة، ومتقدمة، وغير عضوية. وتهيمن الأخيرة -مثل الصوف الزجاجي والصوف الصخري- على السوق، نظرا لتكلفتها المحدودة، إلا أن عملية تصنيعها تعتمد على الوقود الأحفوري مما يزيد من بصمتها الكربونية. وفي المقابل، يُعد قش القمح مادة طبيعية متجددة وقابلة للتحلل الحيوي، مما يمنحه مزايا بيئية كبيرة. وتتضمن عملية التصنيع سحق الألياف وتحويلها إلى عجينة تُجفف في قوالب خاصة لإنتاج حبر طباعة كثيف يُستخدم في بناء هياكل العزل. وقال تشو إن خصائص القش من حيث الكثافة المنخفضة والمحدودية الحرارية مما يجعله مثاليًا لتطبيقات البناء والعزل. كما أن هذا الابتكار يسمح باستخدام القش في صناعة أدوات منزلية وقطع أثاث ومنتجات زخرفية، مع إمكانية بناء مصانع قريبة من المزارع لتقليل انبعاثات النقل وتعزيز الاقتصاد المحلي. ومن التحديات التي واجهت الفريق بطء الطابعات التقليدية وصغر نطاقها. غير أن الفريق طوّر طابعة بفوهات متعددة وفتحات عريضة لتوزيع المادة بسرعة وانتظام، مع تصميم نظام يضمن تدفقا مستقرا. وبحسب تشو، فإن هذه الطريقة قابلة للتطوير الصناعي، ويأمل الباحثون في التعاون مع شركاء صناعيين قريبا لاختبار السوق وتحويل الابتكار إلى واقع تجاري. وإذا تم اعتماد قش القمح على نطاق واسع، فسيُقلل ذلك من الانبعاثات والنفايات الزراعية، ويوفر خيارا مستداما واقتصاديا للعزل في قطاع البناء الذي يعد من بين القطاعات ذات الانبعاثات الكربونية العالية.
