المعادن هي ركيزة التكنولوجيا الحديثة، وتُقدّر لمتانتها وقدرتها على التوصيل الكهربائي. مع ذلك، لم ينجح أحد حتى الآن في تحويل المعدن إلى جل. نحن لا نتحدث عن جل الشعر أو المطهر، بل عن مادة معدنية بالكامل تتصرف كمادة صلبة رغم احتوائها على معدن سائل.
ابتكر الباحثان تشارلز بورنشتاين والدكتور مايكل جيه. ديمكوفيتش من جامعة تكساس إيه آند إم هذا بالضبط: أول هلام معدني في العالم. اكتشافٌ، كما هو الحال غالبًا في الأمور الجادة، كان شبه مصادفة، ولكنه قد يحل مشكلة تقنية مهمة في مجال تخزين الطاقة، وخاصةً في درجات الحرارة العالية جدًا.
كيف تصنع هلامًا معدنيًا؟
على عكس المواد الهلامية الشائعة، والتي تستخدم مواد عضوية لحفظ السائل في درجة حرارة الغرفة، فإن هذا الهلام مصنوع بالكامل من المعادن ويتشكل فقط في درجات حرارة قصوى ، غالبًا حوالي 1000 درجة مئوية.
إن العملية بسيطة من حيث المبدأ:
- يتم خلط مساحيق معدنين مختلفين (على سبيل المثال، التنتالوم والنحاس).
- يتم تسخين الخليط حتى يصل إلى درجة انصهار أحد المعدنين فقط (النحاس).
- ويبقى المعدن الثاني (التنتالوم) صلبًا ويشكل نوعًا من السقالة، وهو عبارة عن هيكل فائق الدقة.
- يبقى المعدن المنصهر (النحاس) محاصرًا داخل هذا السقالة.
وتكون النتيجة مادة تبدو صلبة من الخارج، ولكنها تحتوي على سائل من الداخل.
قال الدكتور مايكل جيه. ديمكوفيتش، الذي قاد البحث: "لم يُبلّغ عن وجود هلاميات معدنية من قبل، ربما لأنه لم يكن أحد يعتقد أن المعادن السائلة يمكن أن تدعمها بنية داخلية". وأضاف: "المثير للدهشة أنه عندما انصهر المكون الرئيسي، النحاس، لم ينهار ببساطة ليتحول إلى بركة".
يقوم البروفيسور بورستين بتشغيل الفرن عالي الحرارة لإنشاء الهلام
الحل للبطاريات المعدنية السائلة (LMB)
ولكن ما فائدة معدن جيلاتيني يعمل عند درجة حرارة ١٠٠٠ درجة مئوية؟ يكمن الجواب في بطاريات المعدن السائل (LMBs) .
تتمتع هذه البطاريات بإمكانيات واعدة لتخزين كميات كبيرة من الطاقة. فهي تستخدم طبقات من المعدن المنصهر بدلاً من الأقطاب الكهربائية الصلبة التقليدية. ميزتها الرئيسية هي طول عمرها: فهي سائلة، ولا تبلى أو تتدهور ماديًا مثل البطاريات التقليدية.
ومع ذلك، فإن لديهم "خطأ" أساسيًا:
- نقطة الضعف: يجب أن يظلوا ثابتين، بلا حراك.
- السبب: إذا تحركت البطارية (على سبيل المثال، على متن سفينة أو مركبة)، فإن السوائل الموجودة بداخلها "تتناثر" ويمكن أن تتلامس، مما يتسبب في حدوث ماس كهربائي.
وهنا يأتي دور الهلام المعدني. فباستخدام هذه المادة الجديدة لتصنيع الأقطاب الكهربائية، يبقى المعدن السائل محصورًا في هيكله الصلب. ويحل الهلام مشكلة "الانسياب".
يفتح هذا الطريق أمام استخدام LMBs في الأنظمة المتنقلة التي يمكنها التعامل مع الحرارة العالية (أو تنتجها بالفعل)، مثل السفن الكبيرة أو المركبات الصناعية الثقيلة.
الباحثان
نموذج أولي عامل
لاختبار الفكرة، قام الباحثون ببناء نموذج أولي صغير للبطارية:
- الأنود (القطب -): عبارة عن هلام من الكالسيوم السائل والحديد الصلب.
- الكاثود (+ القطب): عبارة عن هلام من البزموت السائل والحديد الصلب.
- الإلكتروليت: هو عبارة عن ملح يذاب للسماح بمرور الشحنة.
نجح النموذج الأولي: أنتج الكهرباء، والأقطاب الكهربائية، رغم كونها سائلة في معظمها، حافظت على شكلها المكعب دون أن تنهار أو تختلط. لذا، فإن الحل، على الأقل في مستوى النموذج الأولي، ناجح.
الاكتشاف المولود من الفضول
كما ذُكر، لم يكن الفريق يسعى إلى ابتكار هلام. كان ديمكوفيتش وطالب الدكتوراه تشارلز بورنشتاين يدرسان ببساطة سلوك المركبات المعدنية عند تسخينها.
اختبر بورنشتاين خليطًا من 25% تنتالوم و75% نحاس، ليصل إلى درجة انصهار النحاس. قال: "لم يحدث شيء، مما أربكني". لم يتدفق النحاس المنصهر. وكشفت الاختبارات الإضافية أن أي خليط يحتوي على أكثر من 18% تنتالوم حافظ على شكله الهلامي.
ولم يدرك الفريق أنهم أصبحوا على دراية بشيء جديد إلا بعد فهم البنية من خلال عمليات المسح المقطعي المحوسب عالية الدقة، فنقلوا أبحاثهم إلى مواد بطارية أكثر عملية (الحديد، البزموت، الكالسيوم).
الإمكانات هائلة. حتى أن هناك نقاشًا حول تزويد المركبات الأسرع من الصوت بالطاقة، والتي تعمل في درجات حرارة قصوى، حيث قد تكون بطارية معدنية سائلة شديدة السخونة، على نحو متناقض، مريحة.
الأسئلة والأجوبة
١. ولكن هل هذا الجل "ناعم" و"بارد" مثل معقم اليدين؟ لا، إطلاقًا. إنه "جل" من الناحية الهيكلية فقط: مكون سائل (معدن منصهر) محصور في مصفوفة صلبة (معدن آخر). في درجة حرارة الغرفة، تكون الكتلة بأكملها صلبة تمامًا. لا يتحول إلى "جل معدني" إلا عند وصوله إلى درجات حرارة عالية جدًا (مثل ١٠٠٠ درجة مئوية)، كافية لإذابة أحد المعدنين دون الآخر. يحتفظ بشكله الصلب، ولكنه يحتوي على سائل.
٢. لماذا لا يُمكن استخدام هذه البطاريات في السيارات الكهربائية التقليدية؟ بسبب درجة حرارتها التشغيلية. تعمل بطاريات المعدن السائل (LMBs) عند مئات، بل آلاف، الدرجات المئوية. يُعدّ التعامل مع هذه الحرارة الشديدة في سيارات الركاب غير فعال، ومعقدًا، وقد يكون خطيرًا. وهي مثالية للتطبيقات الصناعية واسعة النطاق (السفن، ومنشآت التخزين الكبيرة، والمركبات الصناعية الثقيلة) حيث يُمكن التحكم في الحرارة بسهولة أكبر، أو حتى كنتيجة ثانوية لعمليات أخرى.
٣. ما هي الميزة الحقيقية لهذه البطاريات مقارنةً ببطاريات الليثيوم؟ أهمها طول عمرها، وربما موادها. تتحلل بطاريات الليثيوم كيميائيًا وفيزيائيًا مع دورات الشحن والتفريغ. أما بطاريات المعادن السائلة، التي تحتوي على أقطاب كهربائية سائلة أصلًا، فلا تعاني من نفس التآكل والتلف الفيزيائي، ويمكنها نظريًا أن تدوم لفترة أطول بكثير (آلاف الدورات) مع أدنى حد من التدهور. علاوة على ذلك، فإن استخدام معادن شائعة مثل الحديد والكالسيوم والبزموت قد يجعلها أرخص وأكثر استدامة من الليثيوم والكوبالت للتخزين الثابت أو البحري واسع النطاق.
من الولايات المتحدة الأمريكية تأتي المقالة "الهلام المعدني": الاكتشاف (العرضي) الذي يمكنه تغيير البطاريات في درجات حرارة عالية يأتي من Scenari Economici .