السبائك الفائقة.. طاقة كهربائية أكبر وانبعاثات كربونية أقل | علوم

يمكن أن تكون للنتائج آثار واسعة عبر قطاعات الطاقة والطيران والسيارات، وكذلك تلقي الضوء على فئة جديدة من السبائك المماثلة التي تنتظر من يكتشفها.

يعد حرق الوقود الأحفوري لتوليد الكهرباء والتدفئة والنقل أكبر مصدر لانبعاث الغازات المسببة للاحتباس الحراري، إذ يشكل ثاني أكسيد الكربون 76% من غازات الدفيئة التي تبعثها الأنشطة البشرية في الغلاف الجوي.

وتنتج الولايات المتحدة -على سبيل المثال- نحو 80% من الكهرباء باستخدام الوقود الأحفوري أو محطات الطاقة النووية، وفقا لإدارة معلومات الطاقة الأميركية، ويعتمد كلا النوعين من المنشآت على الحرارة لتشغيل التوربينات التي تولد الكهرباء.

إلا أن كفاءة محطة الطاقة محدودة بمدى سخونة أجزاء التوربينات المعدنية، فإذا كان من الممكن أن تعمل التوربينات في درجات حرارة أعلى، فإن هذا يعني كهرباء أكثر وانبعاثات حرارة أقل.

لذا، فقد استخدم علماء من عدة جهات بحثية أميركية -شملت مختبرات “سانديا” الوطنية بالتعاون مع باحثين في مختبر “أميس” الوطني، وجامعة ولاية أيوا، فضلا عن شركة “بروكر”- طابعة ثلاثية الأبعاد لصنع سبيكة معدنية عالية الأداء، وتسمى أيضا “السبيكة الفائقة”، بتركيبة غير عادية تجعلها أقوى وأخف وزنا من أحدث المواد المستخدمة حاليا في آلات التوربينات الغازية، وقد نشروا نتائج بحثهم في دورية “أبلايد ماتيريالز توداي” (Applied Materials Today).

سبائك فائقة ومجالات متعددة

قال أندرو كوستاس الباحث بمختبرات سانديا -في البيان الصحفي الذي نشره موقع “يوريك ألرت” (Eurek Alert) يوم 16 فبراير/شباط الجاري- “ظهر أن هذه المادة يمكنها الوصول إلى مجموعات لم يكن من الممكن الحصول عليها سابقا من القوة العالية والوزن المنخفض والمرونة العالية في درجات الحرارة. ونعتقد أن جزءا من سبب تحقيقنا لذلك يرجع إلى نهج التصنيع”.

ويذكر البيان الصحفي أن تجارب “سانديا” قد أظهرت أن السبائك الفائقة الجديدة (42% ألمنيوم، 25% تيتانيوم، 13% نيوبيوم، 8% زركونيوم، 8% موليبدينوم و4% تنتالوم) كانت أقوى عند 800 درجة مئوية مقارنة بعديد من السبائك الأخرى عالية الأداء، بما في ذلك تلك المستخدمة حاليا في أجزاء التوربينات، التي تحافظ على صلابتها عندما تبرد، ويقول رودريغيز “هذا مكسب للطرفين: لمزيد من الطاقة الاقتصادية وللبيئة”.

الطاقة ليست الصناعة الوحيدة التي يمكن أن تستفيد من هذه النتائج، فأبحاث الفضاء تبحث عن مواد خفيفة الوزن تحافظ على صلابتها في درجات الحرارة العالية، بالإضافة إلى ذلك قال الباحث نايك أرجيباي إن مختبرات “أميس” -التي يعمل بها- ومختبرات “سانديا” تتعاونان مع الجهات الصناعية لاستكشاف كيفية استخدام سبائك مثل هذه في صناعة السيارات.

ويضيف أرجيباي أن “نظرية البنية الإلكترونية التي يقودها مختبر أميس كانت قادرة على توفير فهم للأصول الذرية لهذه الخصائص المفيدة، ونحن الآن في طور تحسين هذه الفئة الجديدة من السبائك لمواجهة تحديات التصنيع وقابلية التوسع”.

والطباعة ثلاثية الأبعاد هي طريقة تصنيع متعددة الاستخدامات وموفرة للطاقة، تستخدم أشعة ليزر عالية الطاقة لإذابة مادة عادة ما تكون من البلاستيك أو المعدن، وتقوم الطابعة بعد ذلك بوضع هذه المادة في طبقات، وبناء مجسم، حيث تبرد المادة المنصهرة وتتصلب بسرعة، لكن هذا البحث الجديد يوضح كيف يمكن أيضا إعادة توظيف التكنولوجيا كطريقة سريعة وفعالة لصنع مواد جديدة، فقد استخدم أعضاء فريق سانديا طابعة ثلاثية الأبعاد لصهر المعادن المسحوقة معا بسرعة، ثم طباعة عينة منها على الفور.

ويمثل عمل “سانديا” تحولا أساسيا في تطوير السبائك، إذ إنه لا يوجد معدن واحد يشكل أكثر من نصف المادة، فالفولاذ مثلا يحتوي على نحو 98% من الحديد مع الكربون، من بين عناصر أخرى.

يقول كوستاس “لقد غيّر الحديد وقليل من الكربون العالم. لدينا كثير من الأمثلة، حيث دمجنا عنصرين أو 3 عناصر لصنع سبيكة هندسية مفيدة. الآن، بدأنا في تجريب 4 أو 5 أو أكثر في مادة واحدة. وهذا هو الوقت الذي تبدأ فيه حقا إثارة الاهتمام والتحدي من منظور علم المواد والمعادن”.

تحديات النمذجة الحاسوبية

يعمل الفريق حاليا على استكشاف إذا ما كانت تقنيات النمذجة الحاسوبية المتقدمة يمكن أن تساعد الباحثين على اكتشاف مزيد من أعضاء هذه الفئة الجديدة من السبائك الفائقة عالية الأداء والإضافات التصنيعية.

يقول مايكل تشاندروس، الباحث في “سانديا” والخبير في نمذجة الحاسوب على النطاق الذري (وهو لم يشارك بشكل مباشر في الدراسة)، إن “هذا مزيج معقد للغاية، تتفاعل كل هذه المعادن على المستوى المجهري -وحتى الذري- وهذه التفاعلات هي التي تحدد حقا مدى قوة المعدن، ومدى قابليته للتشكيل، ونقطة انصهاره وما إلى ذلك. ويتطلب نموذجنا كثيرا من التخمين في علم المعادن، لأنه يمكنه حساب كل ذلك وتمكيننا من التنبؤ بأداء مادة جديدة قبل تصنيعها”.

ويتحدث كوستاس عن التحديات التي يواجهها الباحثون، مثل أنه قد يكون من الصعب إنتاج السبائك الفائقة الجديدة بكميات كبيرة بدون تشققات مجهرية، وهو ما يمثل تحديا عاما في التصنيع الإضافي، وقال أيضا إن المواد التي تدخل في السبيكة باهظة الثمن، ولذلك ربما لا تكون السبيكة مناسبة للسلع الاستهلاكية التي يمثل الحفاظ على انخفاض التكلفة مصدر قلق رئيسي لها، إلا أنه مع كل هذه التحفظات، إذا أمكن تطوير هذه التقنية، وصنع جزء كبير من السبيكة، فإن هذا سيغير قواعد اللعبة.