اختراق علمي يمهد لتصنيع خلايا وقود أكثر كفاءة وأقل كلفة

هبة بريس – متابعة

توصل فريق بحثي من جامعة تكساس في سان أنطونيو، بالتعاون مع مؤسسات علمية أخرى، إلى تقنية جديدة لتحسين أداء خلايا الوقود ذات الأكسيد الصلب، بما قد يساهم في معالجة أحد أبرز التحديات التي تعيق انتشارها على نطاق واسع.

وتعتمد هذه الخلايا على تحويل الهيدروجين أو أنواع أخرى من الوقود المتجدد مباشرة إلى كهرباء وحرارة من دون عملية احتراق، ما يمنحها كفاءة تتجاوز 60% وانبعاثات ملوثة محدودة. غير أن اعتمادها على درجات حرارة تشغيل مرتفعة، تتجاوز في الغالب 700 درجة مئوية، يسرّع تآكل مكوناتها ويرفع تكلفة تصنيعها ويطيل فترة تشغيلها.

صدمة حرارية تغير خصائص المادة

وتمكن الباحثون، بقيادة تشونغلين تشين، أستاذ الفيزياء والفلك بكلية العلوم في الجامعة، من تطوير المادة باستخدام تقنية تعتمد على ما يعرف بـ«الصدمة الحرارية»، وهي طريقة مستوحاة من عمليات معالجة المعادن.

وخضعت مادة سيراميكية تقليدية للتسخين عند درجة حرارة بلغت 1300 درجة مئوية، قبل تبريدها بصورة مفاجئة داخل نيتروجين سائل بدرجة حرارة تقارب 196 درجة مئوية تحت الصفر.

وأدت عملية التبريد السريع إلى تغيير البنية الداخلية للمادة وتشكيل عناقيد ذرية دقيقة لا يتجاوز سمكها 0.63 نانومتر.

وأظهرت التحاليل المجهرية والأشعة السينية أن الذرات داخل هذه العناقيد تتخذ ترتيباً غير منتظم، خلافاً للاعتقاد السائد بأن الحركة السريعة للأيونات تتطلب بنية بلورية منتظمة.

«فوضى ذرية» تعزز التوصيل

وفسر الباحثون الأداء المرتفع للمادة الجديدة بقدرة بنيتها غير المنتظمة على الحفاظ على «الفراغات الأكسجينية» نشطة ومعزولة، بما يسمح بتشكيل مسارات تساعد الأيونات على الحركة بكفاءة أكبر.

وعند اختبار المادة عند درجة حرارة 400 درجة مئوية، سجلت توصيلاً أيونياً للأكسجين يفوق بنحو 1400 مرة ما تسجله المواد السيراميكية التقليدية، وفق نتائج الدراسة المنشورة في دورية «ساينس أدفانسز» في 8 يوليوز 2026.

ولقياس تأثير المادة على أداء خلايا الوقود، أضاف الباحثون كمية لا تتجاوز 0.5 في المائة من وزنها إلى مهبط تقليدي قائم على الكوبالت، ما أدى إلى مضاعفة القدرة القصوى لإنتاج الطاقة في الخلية ثلاث مرات.

كما أظهرت الخلايا المعززة بالمادة الجديدة تحسناً في الاستقرار أثناء التشغيل، مقارنة بالخلايا التقليدية التي تتراجع قدرتها مع استمرار تعرضها لدرجات الحرارة المرتفعة.

إمكانية توسيع الإنتاج

ويرى الباحثون أن التقنية الجديدة يمكن دمجها في الأنظمة الحالية دون الحاجة إلى إعادة تصميمها بالكامل، إذ تعتمد على إضافة كميات محدودة من المادة المطورة.

ويعمل الفريق حالياً على تطوير طرق تسمح بإنتاج هذه المادة على نطاق أوسع، في خطوة تستهدف الانتقال من النتائج المخبرية إلى تطبيقات صناعية محتملة في مجال خلايا الوقود والطاقة النظيفة.