بطاريات «تتنفس» ثاني أكسيد الكربون
أعلن فريق من الباحثين من جامعة سيري البريطانية عن خطوة مهمة نحو عالم أكثر استدامة تتمثل بنجاحهم في تطوير نموذج أولي مُحسّن لبطارية «ليثيوم- ثاني أكسيد الكربون». يقول دانيال كوماندور الحائز على الزمالة البحثية في كلية الكيمياء والهندسة الكيميائية، والمتخصص في توليد الطاقة المستدامة وتخزينها «لقد انطلقنا نحو ابتكار تقنية بطاريات صديقة للبيئة، إذ تمكنّا من تحسين بطارية (ليثيوم-ثاني أكسيد الكربون) فهي لا تخزن الطاقة وحسب وإنما تختزن ثاني أكسيد الكربون أثناء ذلك».
سر المُحفِّز الفعّال
يشرح كوماندور المشارك بإعداد الدراسة ذلك بقوله «لطالما عانت بطاريات (ليثيوم-ثاني أكسيد الكربون) من مشكلة في عكس ناتج التفاعل بين الليثيوم وثاني أكسيد الكربون المٌنتج لكربونات الليثيوم. ويحتاج عكسه (أي عكس مسار التفاعل) إلى محفز فعّال، وهو مادة كيميائية تخفض حاجز طاقة التفاعل العكسي». وعلى عكس البطاريات التقليدية مثل (ليثيوم- أيون) تعتمد بطاريات (ليثيوم- ثاني أكسيد الكربون) على تفاعل كيميائي بين الليثيوم وغاز ثاني أكسيد الكربون لتكوين مُركب يُعرف باسم كربونات الليثيوم، وخلال هذا التفاعل تنطلق الطاقة اللازمة أو الكهرباء. وفي المقابل يُحتجز ثاني أكسيد الكربون من الجو داخل البطارية، أي أن البطارية كأنها «تتنفس» ثاني أكسيد الكربون أثناء تشغيلها.
وتمثل عملية إعادة الشحن ضرورة لا غنى عنها للبطاريات من أجل تحقيق انتشار تجاري، لكن إعادة تحويل كربونات الليثيوم الناتجة إلى مكوناتها الأساسية عند إعادة شحن البطارية وقفت عائقًا منيعًا لفترة، لأنها تتطلب طاقة عالية.
بحسب الدراسة- التي نشرها الفريق في دورية «أدفانسد ساينس»- فالتفاعل الكيميائي صعب العكس يشبه صعود تل بالدراجة، بينما يعمل المحفز الفعّال في الكيمياء على تسطيح هذا التل، مما يسهل الوصول إلى القمة والاستمرار بسلاسة، أي يسهل من إمكانية سير التفاعل إلى الخلف مرة أخرى.
وقد نجح الباحثون في استبدال المحفزات المكلفة بمادة رخيصة نسبيًا تُدعى «فوسفوموليبدات السيزيوم» وتقدم خصائص تركيبية وكيميائية استثنائية.
ويقول كوماندور «إن فوسفوموليبدات السيزيوم أقل تكلفة، وتعمل كمحفز جيد لأن جزء الفوسفوموليبدات يُشكل سطحًا مثاليًا لتثبيت المتفاعلات عليه، أما السيزيوم فيُساهم في تثبيت البنية لدورات تشغيل طويلة المدى».
بطارية تتنفس السموم
بفضل استخدام هذا المحفز الجديد حافظت البطارية الجديدة على كفاءتها لأكثر من 100 دورة شحن وتفريغ، وهو رقم كبير نسبيًا لبطاريات الليثيوم-ثاني أكسيد الكربون التي عادةً ما تنهار بعد عشرات الدورات فقط. كما تمكّن الفريق من مراقبة التفاعل العكسي بدقة عبر تقنيات تصوير متقدمة.
ويعلق كوماندور «كان من اللافت رؤية مدى فعالية المُحفز في عكس تراكم كربونات الليثيوم بعد إعادة الشحن. ولاحظنا هذا بعد أن شحنّا البطارية ثم فتحناها لفحص القطب تحت المجهر الإلكتروني. لقد نجح في إزالة معظم ناتج التفريغ، مما يُظهر أن التفاعل سار عكسيًا بدرجة عالية».
وقد أظهرت النماذج الحاسوبية أن الطاقة اللازمة لتثبيت جزيئات ثاني أكسيد الكربون على سطح المحفز كانت أقل من تلك المرتبطة بالبلاتين، مما يدل على جودة سطح المحفز الجديد وقدرته على امتصاص ثاني أكسيد الكربون وتهيئته للتفاعل.
تحدي البطارية النظيفة
رغم النتائج الواعدة، يؤكد الفريق البحثي أن ثمة خطوات كثيرة قبل الوصول إلى منتج تجاري يُباع في الأسواق. وأبرز هذه التحديات تتعلق بظروف التشغيل الواقعية، ويشرح كوماندور «تكلفة المحفز كانت حاجزًا مهمًا يعوق التسويق التجاري، لكن التحدي الأكبر يكمن في اختبار البطاريات عند ضغط جزئي أقل لثاني أكسيد الكربون. فقد اختبرنا الخلايا عند ثاني أكسيد الكربون بضغط 1 بار، وهو ضغط مثالي».
والخطوة التالية هي معرفة ما إذا كانت ستعمل البطارية بشكل جيد عند 0.1 بار، حينها ستتمكن من التقاط ثاني أكسيد الكربون مباشرة من عوادم السيارات أو المصانع على سبيل المثال. أما عند 0.0004 بار فسيُمكن استخدامها لالتقاط ثاني أكسيد الكربون مباشرة من الهواء في أي مكان.
هاشتاغز
جرب ميزات الذكاء الاصطناعي لدينا
اكتشف ما يمكن أن يفعله Daily8 AI من أجلك:
التعليقات
لا يوجد تعليقات بعد...
أخبار ذات صلة
جريدة الوطن
منذ 7 ساعات
- جريدة الوطن
هل يدفع الكوكب ثمن أسئلتنا ؟
باتت أدوات الذكاء الاصطناعي جزءا من حياتنا اليومية، سواء في مساعدتنا في كتابة المقالات والرسائل الإلكترونية أو شرح النظريات العلمية المعقدة. لكن ما يغيب عنا غالبا هو الثمن غير المرئي لهذه «المعجزات التقنية»، ثمن تدفعه الأرض من طاقتها ومناخها ومواردها. ففي كل مرة نوجه فيها سؤالا إلى روبوت ذكاء اصطناعي مثل «شات جي بي تي»، تبدأ عملية معقدة خلف الكواليس داخل مراكز بيانات ضخمة، أحيانا بحجم ملعب كرة قدم، تعتمد في تشغيلها على محطات تعمل بالفحم أو الغاز، تُحوّل كلماتنا إلى «مُعرِّفات رمزية»، وهي أرقام تستخدم لمعالجة الطلب، ثم تُمرر إلى آلاف أجهزة الحواسيب الفائقة الأداء، وفق تقرير لشبكة «سي إن إن» الأميركية. وباستخدام تلك الحواسيب الفائقة، تُوّلد الإجابة من خلال عمليات حسابية كثيفة تستهلك طاقة تعادل 10 أضعاف ما يتطلبه بحث بسيط على غوغل، بحسب تقدير لمعهد أبحاث الطاقة الكهربائية الأميركي. كيف تتأثر البيئة؟ ولمعرفة أثر ذلك على البيئة، أجرى باحثون في ألمانيا اختبارا شمل 14 نظام ذكاء اصطناعي يعمل بنماذج لغوية ضخمة «إل إل إم إس» (LLMs)، وطرحوا عليها أسئلة متنوعة. وكانت النتيجة واضحة: كلما زاد تعقيد الإجابة، زادت انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. فالإجابات التفصيلية أو ذات الطابع التحليلي كانت مسؤولة عن انبعاثات تصل إلى 6 أضعاف ما تولّده الإجابات المختصرة. أما النماذج «الأذكى» التي تتمتع بقدرة استنتاجية أعلى كتلك المصممة للإجابة على أسئلة قانونية معقدة، فقد ولّدت انبعاثات تزيد بمقدار 50 ضعفا عن نظيراتها الأبسط. ويشرح ماكسيميليان دونر طالب الدكتوراه في جامعة ميونخ للعلوم التطبيقية والمؤلف الرئيسي للدراسة، التي نُشرت في مجلة «آفاق الاتصالات»، هذا التفاوت قائلا «كلما زادت دقة النموذج وقدرته على التفكير، زاد استهلاكه للطاقة». ويضيف أن هذه النماذج المتقدمة تحتوي على عشرات المليارات مما تسمى «المعلمات» الإضافية، وهي التحيزات التي تساعد النظام على تفسير الرموز ومعالجتها، الأمر الذي يجعلها أكثر قدرة على التحليل، ولكن أيضا أكثر استهلاكا للطاقة. التقدير صعب لكن ما يجعل تقدير الأثر البيئي الفعلي للذكاء الاصطناعي أمرا صعبا هو اختلاف العوامل المؤثرة، مثل نوع الجهاز المستخدم والموقع الجغرافي ومصدر الطاقة في المنطقة. لذلك، فضل الباحثون استخدام نطاقات تقديرية لانبعاثات الكربون بدلا من أرقام دقيقة، بحسب «سي إن إن». وتضيف الشبكة الأميركية أن غياب الشفافية يزيد صعوبة تقدير الأثر البيئي الحقيقي، شارحة أن معظم شركات الذكاء الاصطناعي الكبرى لا تشارك بيانات دقيقة حول استهلاك الطاقة أو حجم خوادمها أو تقنيات التحسين التي تستخدمها، مما يُصعِّب على الباحثين والمستهلكين على حد سواء فهم التكلفة البيئية الحقيقية. ويؤكد شاولي رين أستاذ الهندسة الكهربائية والحاسوبية بجامعة كاليفورنيا أن كل نموذج ذكاء اصطناعي يستهلك الموارد بطريقة مختلفة، ويجب تقييمه حسب نوع المهمة التي يُستخدم فيها. لكن في وقت تندفع فيه الشركات لإدخال أدوات الذكاء الاصطناعي في كل تطبيق وموقع ومنصة، قد لا يكون للمستخدمين الكلمة الفصل في مدى أو توقيت استخدام هذه التقنيات، وفق «سي إن إن». كيف نخفف الأثر؟ ورغم أن خيارات المستخدمين قد تصبح محدودة مع سعي الشركات لربط الذكاء الاصطناعي بكل التطبيقات، فإن الباحثين يقترحون خيارات لتقليل الأثر البيئي من استخدام نماذج الذكاء الاصطناعي. ويقول رين إن على المستخدمين «أن يختاروا بحكمة»، ويوافقه في ذلك دونر الذي يقول إن على المستخدم البحث عن النموذج الذي يلائم حاجاته بدقة دون استهلاك موارد ضخمة بلا سبب. ويشرح دونر «لنفترض أنك مهندس برمجيات يتعامل مع مشكلات معقدة يوميًا، عندها قد يكون استخدام نموذج ذكاء اصطناعي متقدّم خيارًا منطقيا. أما إن كنت طالبا في المرحلة الثانوية تبحث عن مساعدة في حل واجب منزلي بسيط، فإن اللجوء إلى هذه النماذج القوية يُشبه استخدام آلة حاسبة نووية لإجراء عملية جمع بسيطة». ويضيف، في مقابلته مع «سي إن إن»: لو كان الناس أكثر وعيا بمتوسط التكلفة البيئية لتوليد استجابة لربما بدؤوا يفكرون: هل من الضروري أن أحول نفسي إلى دمية متحركة لمجرد أنني أشعر بالملل؟
جريدة الوطن
١٩-٠٦-٢٠٢٥
- جريدة الوطن
بطاريات «تتنفس» ثاني أكسيد الكربون
أعلن فريق من الباحثين من جامعة سيري البريطانية عن خطوة مهمة نحو عالم أكثر استدامة تتمثل بنجاحهم في تطوير نموذج أولي مُحسّن لبطارية «ليثيوم- ثاني أكسيد الكربون». يقول دانيال كوماندور الحائز على الزمالة البحثية في كلية الكيمياء والهندسة الكيميائية، والمتخصص في توليد الطاقة المستدامة وتخزينها «لقد انطلقنا نحو ابتكار تقنية بطاريات صديقة للبيئة، إذ تمكنّا من تحسين بطارية (ليثيوم-ثاني أكسيد الكربون) فهي لا تخزن الطاقة وحسب وإنما تختزن ثاني أكسيد الكربون أثناء ذلك». سر المُحفِّز الفعّال يشرح كوماندور المشارك بإعداد الدراسة ذلك بقوله «لطالما عانت بطاريات (ليثيوم-ثاني أكسيد الكربون) من مشكلة في عكس ناتج التفاعل بين الليثيوم وثاني أكسيد الكربون المٌنتج لكربونات الليثيوم. ويحتاج عكسه (أي عكس مسار التفاعل) إلى محفز فعّال، وهو مادة كيميائية تخفض حاجز طاقة التفاعل العكسي». وعلى عكس البطاريات التقليدية مثل (ليثيوم- أيون) تعتمد بطاريات (ليثيوم- ثاني أكسيد الكربون) على تفاعل كيميائي بين الليثيوم وغاز ثاني أكسيد الكربون لتكوين مُركب يُعرف باسم كربونات الليثيوم، وخلال هذا التفاعل تنطلق الطاقة اللازمة أو الكهرباء. وفي المقابل يُحتجز ثاني أكسيد الكربون من الجو داخل البطارية، أي أن البطارية كأنها «تتنفس» ثاني أكسيد الكربون أثناء تشغيلها. وتمثل عملية إعادة الشحن ضرورة لا غنى عنها للبطاريات من أجل تحقيق انتشار تجاري، لكن إعادة تحويل كربونات الليثيوم الناتجة إلى مكوناتها الأساسية عند إعادة شحن البطارية وقفت عائقًا منيعًا لفترة، لأنها تتطلب طاقة عالية. بحسب الدراسة- التي نشرها الفريق في دورية «أدفانسد ساينس»- فالتفاعل الكيميائي صعب العكس يشبه صعود تل بالدراجة، بينما يعمل المحفز الفعّال في الكيمياء على تسطيح هذا التل، مما يسهل الوصول إلى القمة والاستمرار بسلاسة، أي يسهل من إمكانية سير التفاعل إلى الخلف مرة أخرى. وقد نجح الباحثون في استبدال المحفزات المكلفة بمادة رخيصة نسبيًا تُدعى «فوسفوموليبدات السيزيوم» وتقدم خصائص تركيبية وكيميائية استثنائية. ويقول كوماندور «إن فوسفوموليبدات السيزيوم أقل تكلفة، وتعمل كمحفز جيد لأن جزء الفوسفوموليبدات يُشكل سطحًا مثاليًا لتثبيت المتفاعلات عليه، أما السيزيوم فيُساهم في تثبيت البنية لدورات تشغيل طويلة المدى». بطارية تتنفس السموم بفضل استخدام هذا المحفز الجديد حافظت البطارية الجديدة على كفاءتها لأكثر من 100 دورة شحن وتفريغ، وهو رقم كبير نسبيًا لبطاريات الليثيوم-ثاني أكسيد الكربون التي عادةً ما تنهار بعد عشرات الدورات فقط. كما تمكّن الفريق من مراقبة التفاعل العكسي بدقة عبر تقنيات تصوير متقدمة. ويعلق كوماندور «كان من اللافت رؤية مدى فعالية المُحفز في عكس تراكم كربونات الليثيوم بعد إعادة الشحن. ولاحظنا هذا بعد أن شحنّا البطارية ثم فتحناها لفحص القطب تحت المجهر الإلكتروني. لقد نجح في إزالة معظم ناتج التفريغ، مما يُظهر أن التفاعل سار عكسيًا بدرجة عالية». وقد أظهرت النماذج الحاسوبية أن الطاقة اللازمة لتثبيت جزيئات ثاني أكسيد الكربون على سطح المحفز كانت أقل من تلك المرتبطة بالبلاتين، مما يدل على جودة سطح المحفز الجديد وقدرته على امتصاص ثاني أكسيد الكربون وتهيئته للتفاعل. تحدي البطارية النظيفة رغم النتائج الواعدة، يؤكد الفريق البحثي أن ثمة خطوات كثيرة قبل الوصول إلى منتج تجاري يُباع في الأسواق. وأبرز هذه التحديات تتعلق بظروف التشغيل الواقعية، ويشرح كوماندور «تكلفة المحفز كانت حاجزًا مهمًا يعوق التسويق التجاري، لكن التحدي الأكبر يكمن في اختبار البطاريات عند ضغط جزئي أقل لثاني أكسيد الكربون. فقد اختبرنا الخلايا عند ثاني أكسيد الكربون بضغط 1 بار، وهو ضغط مثالي». والخطوة التالية هي معرفة ما إذا كانت ستعمل البطارية بشكل جيد عند 0.1 بار، حينها ستتمكن من التقاط ثاني أكسيد الكربون مباشرة من عوادم السيارات أو المصانع على سبيل المثال. أما عند 0.0004 بار فسيُمكن استخدامها لالتقاط ثاني أكسيد الكربون مباشرة من الهواء في أي مكان.
جريدة الوطن
٠٥-٠٦-٢٠٢٥
- جريدة الوطن
ثورة في تصنيع البطاريات
أعلن فريق من علماء جامعة بطرسبورغ الروسية عن تطوير تقنية جديدة لتصنيع بطاريات من بوليمر موصل للتيار الكهربائي، معزز بجزيئات الهيدروكينون، توفر خصائص أداء مماثلة لبطاريات الليثيوم أيون المستخدمة على نطاق واسع في الأجهزة الذكية. وأوضح الباحثون أن المادة الجديدة تتيح سعة تخزين تتراوح بين 85 و112 مللي أمبير/ ساعة لكل غرام، مع كفاءة في الشحن والتفريغ تصل إلى 99 بالمائة، ما يضاهي أداء البطاريات التقليدية، مع إمكانات نظرية تتجاوز 200 مللي أمبير/ساعة. وقال البروفيسور أوليغ ليفين، من قسم الكيمياء الكهربائية بالجامعة، إن التقنية تعتمد على استغلال جزيئات الهيدروكينون كـ«مراكمات شحنة» داخل البوليمر، مشيرا إلى أن هذه البطاريات قد تمهد الطريق لحلول أكثر أمانا واستدامة في مجالات تخزين الطاقة.
