كل من يملك سيارة كهربائية أو حتى هاتفًا ذكيًا يعلم أن البرد هو العدو الأول لبطاريات الليثيوم. فبمجرد انخفاض درجة الحرارة، يتراجع مدى البطارية بشكل حاد، ويصبح الشحن مُرهقًا، ويزداد القلق بشأن أداء الطاقة. ولكن إذا كان هذا يُسبب إزعاجًا لمن يضطرون للذهاب إلى الجبال شتاءً، وربما إلى كورتينا، فهو مسألة حياة أو موت (ومليارات الدولارات) بالنسبة لاقتصاد الفضاء .
ربما وجد بحث جديد ، بقيادة جامعة تشانغآن وجامعة كوينزلاند للتكنولوجيا، الحل. ولم يفعلوا ذلك بخلط المواد عشوائيًا في أنبوب اختبار، بل بالسماح للذكاء الاصطناعي بالقيام بـ"العمل القذر" المتمثل بالتجربة والخطأ. وقد نُشرت نتائج هذه المبادرة في ورقة علمية .
المشكلة: عندما تصبح الأيونات خاملة
في البطاريات التقليدية، يميل الإلكتروليت (السائل الذي يسمح لأيونات الليثيوم بالتحرك بين الأنود والكاثود) إلى اللزوجة أو حتى التجمد عند انخفاض درجات الحرارة إلى ما دون الصفر. النتيجة؟ انخفاض الموصلية الأيونية، مما يُعرّض البطارية لخطر طلاء الليثيوم ، وهو ليس زخرفة فضية، بل رواسب معدنية قد تُسبب قصرًا في دائرة البطارية.
لتشغيل المركبات الجوالة على المريخ أو الطائرات المسيرة في القطب الشمالي، تُستخدم حاليًا سخانات خارجية تستهلك ما بين 10% و20% من إجمالي طاقة البطارية. وهذا يُمثل هدرًا هائلًا للوزن والتكلفة.
أ- فوائد بطاريات الليثيوم. ب- عدد المنشورات حول بطاريات الليثيوم طويلة الأمد وإلكتروليتات بطاريات الليثيوم طويلة الأمد من عام 2015 إلى عام 2025 (بيانات من شبكة العلوم). ج- العوامل الرئيسية التي تحد من الأداء طويل الأمد لبطاريات الليثيوم. د- استراتيجيات لتحسين الأداء طويل الأمد لبطاريات الليثيوم. هـ- معالم بارزة في تطوير الإلكتروليتات طويلة الأمد لبطاريات الليثيوم.
الحل: إلكتروليتات LT المصممة بالذكاء الاصطناعي
نشر فريقٌ بقيادة الأساتذة ليمين جينج، وويجيا مينج، وجياي يي مراجعةً منهجيةً رائدةً في مجلة سبرينجر نيتشر . استخدموا نماذج تعلّم آلي مُدرّبة على أكثر من 150 ألف جزيء مُرشّح.
ماذا حققوا؟ تنبأ الذكاء الاصطناعي بدقة بدرجات الانصهار واللزوجة ومستويات الطاقة، مما قلّص زمن الاكتشاف من أشهر إلى ساعات. والنتيجة هي إلكتروليتات جديدة منخفضة الحرارة (LT) تعتمد على:
-
الإسترات والأثيرات غير المفلورة: قادرة على إجراء 300 دورة إعادة شحن عند درجة حرارة -30 درجة مئوية مع الحفاظ على 99% من السعة.
-
الهلام البوليمري: مثالي للإلكترونيات المرنة، ويعمل بشكل جيد عند درجة حرارة -40 درجة مئوية.
فيما يلي مقارنة سريعة بين التكنولوجيا الحالية والمقترحة:
| مميزة | بطارية ليثيوم أيون قياسية | بطارية جديدة مع إلكتروليت LT |
| الحد الأدنى لدرجة حرارة التشغيل. | -20 درجة مئوية (مع خسائر فادحة) | حتى -80 درجة مئوية |
| كفاءة الطاقة | منخفض (يتطلب سخانات) | عالية (عملية أصلية) |
| أمان | مخاطر طلاء الليثيوم | الطور البيني الصلب المستقر (SEI) |
| التطبيق الرئيسي | الإلكترونيات الاستهلاكية، السيارات الكهربائية القياسية | اقتصاد الفضاء، الطائرات بدون طيار في القطب الشمالي، إنترنت الأشياء |
أنواع مختلفة من المواد المناسبة لصنع الإلكتروليتات تقاوم البرد الشديد
القفزة الحقيقية للاقتصاد الفضائي
هنا نصل إلى النقطة "الاقتصادية الكلية". لماذا يُعدّ هذا الاكتشاف حاسمًا لاقتصاد الفضاء؟ لأن البرد في الفضاء ليس استثناءً، بل هو القاعدة.
-
خفض تكاليف الإطلاق: إن إلغاء أنظمة تسخين البطاريات يعني خفض الوزن. وفي الفضاء، كل غرام مُوَفَّر يُساوي وزنه ذهبًا (حرفيًا، بالنظر إلى تكلفة إطلاق مركبة فضائية إلى المدار لكل كيلوغرام).
-
مهام أطول: إذا لم يكن على المركبة المريخية أن تنفق 20% من طاقتها فقط لتجنب التجمد حتى الموت أثناء الليل المريخي، فيمكنها تخصيص هذه الطاقة للاستكشاف ونقل البيانات والتجارب العلمية.
-
موثوقية فائقة: تسمح الإلكتروليتات الجديدة عالية الإنتروبيا بسرعات شحن عالية (٤ درجات مئوية) دون تدهور. هذا يُمهد الطريق لأقمار صناعية ومركبة هبوط أكثر استجابةً وعمرًا أطول.
لا يقتصر الأمر على علم المواد فحسب، بل يتعلق أيضًا بكفاءة تخصيص الموارد . تُتيح تقنية تعمل عند درجة حرارة ٨٠ درجة مئوية تحت الصفر فتح آفاق جديدة لصناعات محدودة حاليًا بالفيزياء الأساسية.
الآفاق المستقبلية
لا تُخفي الدراسة حقيقة أن الطريق لا يزال طويلاً. يجب توحيد بروتوكولات الاختبار (اليوم، يقيس الجميع درجة البرودة حسب ما يرونه مناسبًا)، ويجب استخدام منصات روبوتية لتصنيع هذه الإلكتروليتات على نطاق صناعي (من الغرامات إلى اللترات). ومع ذلك، فإن الطريق واضح: فتكامل الفيزياء والشبكات العصبية يُسرّع تطوير مواد كانت، حتى وقت قريب، تتطلب عقودًا من التجربة والخطأ.
وفي الختام، إذا تقطعت بك السبل بسيارتك الكهربائية في الشتاء، فلا تقلق: فالتكنولوجيا التي يمكنها حل المشكلة موجودة، ولكنها تنتظر العودة من المريخ.
الأسئلة والأجوبة
لماذا يعد استخدام الذكاء الاصطناعي مهمًا جدًا في هذا الاكتشاف؟
حوّل الذكاء الاصطناعي عملية التجربة والخطأ التي كانت تستغرق سنوات إلى عملية اختيار دقيقة لا تستغرق سوى ساعات. بتحليل أكثر من 150,000 جزيء، حددت الخوارزمية التركيبات الكيميائية القادرة على تحمل البرد القارس، وتنبأت بلزوجتها ونقطة انصهارها. يُخفّض هذا النهج القائم على البيانات تكاليف البحث والتطوير بشكل كبير، مما يُمكّن من تطوير حلول تجارية أسرع بكثير من الكيمياء التقليدية.
كيف تؤثر هذه التكنولوجيا بشكل ملموس على اقتصاد الفضاء؟
يؤثر ذلك بشكل مباشر في تقليل الوزن وزيادة الكفاءة. تتطلب بطاريات الفضاء الحالية سخانات تستهلك ما يصل إلى 20% من الطاقة المخزنة. يؤدي الاستغناء عن هذه السخانات باستخدام إلكتروليتات تعمل بشكل طبيعي عند درجة حرارة -80 درجة مئوية إلى توفير مساحة ووزن للأجهزة العلمية أو الحمولات. من الناحية الاقتصادية، يعني هذا مهمات أقل تكلفة وأطول، مع عائد استثمار علمي وتجاري أعلى بكثير.
هل ستكون هذه البطاريات مفيدة لنا نحن البشر على الأرض أيضًا؟
بالتأكيد. على الرغم من أن الزخم يأتي من قطاع الطيران، إلا أن التأثير المدني فوري. تعاني السيارات الكهربائية بشدة في درجات حرارة الشتاء، مما يؤدي إلى فقدانها لمدى قطعها. وجود إلكتروليتات قادرة على العمل في درجات حرارة تحت الصفر دون تدهور يعني أن السيارات الكهربائية ستكون موثوقة حتى في المناخات القاسية، مما يزيل إحدى العقبات الرئيسية أمام الاستخدام الواسع النطاق في المناطق الباردة. علاوة على ذلك، يمكن تطبيق هذه التقنية على أجهزة استشعار إنترنت الأشياء والطائرات بدون طيار لمراقبة البيئة في المناطق النائية.
المقال " البطاريات التي تحب البرد: الذكاء الاصطناعي يأخذنا إلى المريخ (وربما ينقذ السيارة الكهربائية في الشتاء)" يأتي من Scenari Economici .