المادة أساس الحياة
كل شىء حول الإنسان مصنوع من المواد فالتعامل مع المواد
ولقد استخدم الإنسان الأدوات لتسجيل التاريخ على جدران المعابد حيث استخدم الأزميل
والحجر والذهب وصنع من الحديد الأسلحة وخاض بها الحروب فكل ما استخدمه الإنسان كان
من المادة ونشأ علم للمواد وهندسة المواد وأن الفحم والألماس من طينة واحدة ولكن
من خلال إعادة ترتيب الذرات والجزيئات وتفاعلها كيميائيا حصلنا على مواد جديدة
وعندما دخلت المواد النار تم الحصول على الخزف ومنها تشكلت المعادن والسبائك وخرجت
الصناعة بأشباه الموصلات والمواد الحيوية والمجسات بكل أنواعها ومن المواد تم صنع
السيارات خفيفة الوزن سريعة الحركة قليلة الوقود وجاء إنجاز الإليكترونيات
والمحمول والكمبيوتر والآى باد ودخلت المواد أجنحة التوربينات المولدة للطاقة من
الرياح وعندما يبلغ طول ذراع المراوح ( 60 م ) فإن نقل وتركيب وتشغيل وصيانة
الأذرع تكون صعبة وتشكل إجهادا على جسم المراوح لكن تم استبدالها بمادة خفيفة حلت
بمعامل صلابة مرتفع يتحمل الإجهاد وسرعات الرياح وتتفادى الضوضاء وخفيفة الوزن
كذلك المجمع الشمسى من الألواح المعدنية المصنوعة من مادة جيدة التوصيل للحرارة
وبطلاء ذى مواصفات لامتصاص أشعة الشمس وأصبحت المادة حليف للطاقة ومع التقدم
العلمى المذهل تعاملت المواد مع تكنولوجيا النانو مترية وكل العلوم الحديثة فأصبحت
حليفة الإنسان والحياة معا .
توافق حركة الذرات والجزيئات مع حركة الإنسان فى المجتمع
:
المادة عماد الحضارة البشرية :
إن مجالات العلوم المتقدمة عامة وعلوم المواد خاصة
وتفعيل تطبيقاتها فى الصناعات المختلفة وانعكاساتها على المجتمع وعن طريق استخدام
مجال علوم المواد ودعمه من خلال الندوات الثقافية والمحاضرات العلمية وورش العمل
التدريبية .
إن علوم المواد يقوم على التوافق بين حركة الذرات
والجزيئات فى داخل المادة وبين حركة الإنسان فى المجتمع فى إيقاع متناغم وأن
الحركة فى المواد هى حركة الحياة وبين أن المواد هى عماد الحضارة وأوضح تداخل
المواد فى جميع العلوم واستخداماتها الطبية والهندسية والصناعية وإن الموضوعات
التطبيقية للمواد فى المياه والطب والزراعة والطاقة والصناعات البترولية .
إن علوم المواد هى آفاق المستقبل فطبيعة الدراسات
المتداخلة فى علوم المواد والأنشطة البحثية لتطوير وابتكار منتج .
علم المواد عماد الحضارة الحديثة :
ذرات الكربون تتراص بشكل معين لتصبح ألماس :
ما المقصود بعلوم المواد ؟ إنها دراسة الأشياء المستخدمة
فى الحياة اليومية فمم تتكون الأشياء ومم تصنع ؟ وما هو تركيبها الداخلى ؟ كيف
يمكن استخدامها ؟ ما هى خواصها ؟ وكيف يمكن تغييرها لتصبح أفضل ؟
وكيف يمكن أن نصنع مزيدا من الأشياء المدهشة ؟ وكيف يتم
تخليق مواد جديدة تماما ذات صفات فريدة ؟ ( علوم المواد ) .
إن ( علوم وهندسة المواد ) تخصص متداخل بين العلوم
الأساسية والهندسية يتناول اكتشاف وتصميم المواد الجديدة مع التركيز على المواد فى
شكلها النهائى المستخدم فى الصناعة .
ويرجع الأصل الفكرى لعلوم المواد للفكر التحليلى لأصول
الكيمياء والفيزياء والهندسة وقد أصبحت علوم المواد علم منفصل محدد له مجاله
المميز عن مجالات العلوم الأساسية والهندسية .
إن مصادر المواد محدودة ومحددة فمن الزراعة نحصل على
الأخشاب والألياف ومن باطن الأرض وجوف المناجم نحصل على المعادن والفلزات ومن
التنقيب وحفر الآبار نحصل على البترول والبتروكيماويات فإن الموارد محدودة وأعداد
البشر فى تزايد .
إن نقص المواد التى تكاد تنضب فمن المتوقع أن يكون لتطور
علوم المواد أثر هائل على تقدم العلوم وتطور التكنولوجيا .
وتهتم علوم المواد بمعرفة كيف يؤثر تاريخ المادة على
خواصها ؟ بمعنى كيف تؤثر طريقة تكوينها وتشغيلها وصناعتها على تركيبها ؟ فإنها
ستؤثر على خواصها وأدائها وكفاءتها .
إن الكربون حين تتراص ذراته أو وحدته البنائية فى تركيب
بلورى سداسى بحيث تتشكل طبقات متراصة من الكربون فى شكل سداسى فإنها تكون الفحم أو
الجرافيت فهى مادة سهلة الكسر والخدش وطبقاتها يمكن فصلها بسهولة لونها معتم
استخدامها يكاد يقتصر على حرقها أو إدخالها فى مواد أخرى أو إدماجها فى مراحل
التصنيع فنفس ذرات الكربون حين تتراص فى شكل مكعبى مقوى بذرات فى المحور الواصل
بين أطراف المكعب المتباعدة فتعطى مادة مختلفة ( ألماس ) المركب الصلب الذى يخدش
المعادن ولا يخدش هو المتألق بانعكاساته وأشكاله المستخدمة فى أدوات القطع وأشكال
الزينة إنه التركيب الداخلى الذى نجم عن تاريخ ما تعرضت له المادة من التسخين
والضغط والمعالجة أدى لتراص الذرات فى أشكالها البلورية المختلفة .
إن فهم العلاقة بين التركيب والخواص هو لب علوم المواد
الذى يساعد فى فهم العديد من مناطق البحث بما فيها تكنولوجيا النانو والمواد
الحيوية وعلم الفلزات .
فالتحكم فى ترتيب الذرات والجزيئات باستخدام تفاعلات
الكيمياء وأدوات الفيزياء فالحصول على مواد ذات خواص جديدة متفردة .
ويعتبر علم المواد أحد المكونات الأساسية فى تحديد أسباب
فشل الأداء أو تحليل الانهيارات حيث إن انهيار المواد والمنتجات والتركيبات
والمكونات أو فشلها فى أداء وظيفتها قد تسبب الجروح لمستخدميها أو خسائر فى
الأرواح والممتلكات فالفحوصات لفهم أسباب انهيار المواد المفتاح لفهم العديد من
أسباب سقوط الطائرات .
إن اختيار المواد فى زمن ما غالبا ما يكون كاشفا لفهم
العلم وتطور التكنولوجيا فى تلك العصور فربما كان العصر الجوى والبرونزى وعصور
الحديد أمثلة لكيفية ارتباط التاريخ بالمواد ! فإن الأصول القديمة لصناعة الخزفيات
وتشكيل الفلزات فإن علوم المواد واحدة من أقدم الأشكال للتطبيقات العلمية
والاستخدامات الهندسية ولقد ظهر علم المواد الحديث مباشرة من علم الفلزات الذى ظهر
من عمليات التنقيب والحفر واستخدام النار فى صناعة الخزفيات والسبائك ولقد حدث
تطور هائل فى فهم المواد فى نهاية ( ق / 19 ) حين فهم أن الخواص الديناميكية / الحرارية
للمواد تعتمد على التركيب الذرى للمواد فى مختلف الأطوار التى تتغير فيها خواص
المادة الفيزيائية بالحرارة وإن التطور لفهم الجوانب العديدة من المواد الحديثة من
السباق فى علوم الفضاء من أجل فهم هندسة السبائك المعدنية وتزويدها بخواص فائقة
وفهم ما يحدث فى مركبات السليكا والكربون المستخدمة فى المتراكبات الداخلة فى
صناعة المركبات الفضائية التى تكتشف الفضاء الخارجى .
ولقد تطور علم المواد بفضل المشروعات البحثية المتقدمة
لتطوير البرنامج القومى للبحوث الأساسية والتدريب فى مجال علوم المواد ولقد اتسع
مجال علوم المواد ليشمل كل الأنواع من المواد بما فيها الخزف والبلمرات وأشباه
الموصلات والمواد المغناطيسية ومواد الاستعاضة الطبية والمواد البيولوجية ومواد
النانو .
فلقد أصبح فى الإمكان تشكيل المواد بتراكيب جديدة
والحصول على خواص فريدة وتشغيلها وتصنيفها بطرق متعددة ومتطورة .
ولقد تطور علم المواد بفضل المجالات التكنولوجية الجديدة
فعن طريق تطوير مجالات البلاستيك وأشباه الموصلات والمواد الحيوية مما أدى لزيادة
الفهم لتراكيبها وتجديدا لخواصها .
إن المواد الحديثة غيرت وجه الحضارة فالمواصلات
المستخدمة السيارة والقطار والطائرة كلها تطورت لمزيد من السرعة وتخفيف فى الوزن
وزيادة فى الأمان إنها المتراكبات والسبائك التى تضاعفت قوتها النوعية وتنوعت
خواصها واستخداماتها فالاتصالات وكيفية تطورها فأصبح الإنسان قادرا على التحدث مع
أى شخص على وجه الأرض سواء فى البر أو البحر أو الجو بلمسة اصبع بل أصبح من الممكن
حمل مكتب للتلغراف فى الجيب ليرسل الرسائل المكتوبة والمصورة والمتحركة إنها
المواد الإلكترونية التى تعالج الصور والكلمات لتحولها لنبضة وموجة تسير فى الفضاء
ولا تخطىء هدفها بل تطور الهاتف المحمول ليصبح آلة تصوير وتسجيل وتخزين للمعلومات
وكمبيوتر لجانب نقل المكالمات .
فالطب والدواء وكيف يتم تغيير الشرايين والأوردة وصمامات
القلب بل وصناعة القلب كاملا من مواد اصطناعية تتحمل الدم النابض والسارى متدفقا
كل ثانية من الزمن فالمواد تعمل وتؤدى وظيفتها دون أن تتعب أو تتوقف فإذا توقفت
توقفت الحياة معها وانتهى العمر إنها المواد الطبية .
والمواد البيولوجية التى تفتح أفاقا جديدة للعلاج
والشفاء فإن النانو مواد ذات خصائص جديدة فتأتى بتطبيقات جديدة لا يستطيع الخيال
العلمى اللحاق أو التنبؤ بها .
المجسات الحرارية شريك فى كل الصناعات :
إن المجس الحرارى الجهاز الذى يستقبل أو يستجيب للإشارة
أو التحفيز فالتعريف يغطى كل المجسات من العين البشرية إلى زناد المسدس ويعرف
المجس بطريقة أخرى جهاز استنشعار يعمل لكشف الحالة المحيطية الفيزيائية فمنه ما
يقيس درجة الحرارة ومنه ما يقيس الضغط ومنه ما يقيس شدة الإشعاع ومنه ما يقيس عدد
الإلكترونات أو البروتونات حيث يقوم بتحويل الإشارات الساقطة عليه لنبضات كهربائية
يمكن عدها والمجس جهاز إلكترونى معد لاستشعار الظروف والمؤثرات المحيطة بها لترسل
إشارات كهربية قابلة للقراءة ويكاد لا يخلو جهاز إلكترونى من المجسات بدءا من شاشة
اللمس فى الهاتف المحمول للباب الكهربى الذى يفتح نتيجة الاقتراب منه .
( 9 ) خصائص مهمة :
1 ) دالة النقل : تربط دالة النقل العلاقة الوظيفية بين
الإشارة الفيزيائية الداخلة والإشارة الكهربية الخارجة .
2 ) الحساسية : إن حساسية المجس من حيث العلاقة بين
الإشارة الفيزيائية الداخلة والإشارة الكهربائية الخارجة .
3 ) النطاق الديناميكى : المدى من الإشارة الفيزيائية
الداخلة التى يمكن تحويلها لإشارات كهربية .
4 ) دقة أو عدم اليقين : إن عدم اليقين أكبر خطأ متوقع
بين إشارات الإنتاج الفعلية والمثالية .
5 ) التخلفية : بعض المجسات لا تعود لنفس قيمة الإنتاج
عندما يتم تدوير تحفيز المدخلات مرة أخرى وإن العرض من الخطأ المتوقع من حيث
الكمية المقاسة على أنها التباطؤ أو التخلفية .
6 ) الخطية : أقصى انحراف عن مقدار الزيادة بمعدل ثابت
والتى تمثل خطا مستقيما .
7 ) الدقة : إن دقة المجس كأقل إشارة يمكن كشفها أو
تحليلها .
8 ) عرض النطاق الترددى : كل أجهزة الاستشعار عن بعد
لديها أوقات استجابة محددة لتغيير فورى فى الإشارة الفيزيائية فإن العديد من أجهزة
الاستشعار لديها وقت اضمحلال يمثل الوقت بعد خطوة لتغيير فى الإشارة الفيزيائية
الخارجة لتضمحل لقيمتها الأصلية .
9 ) الضجيج : كل أجهزة الاستشعار تنتج بعض الضجيج الناتج
بالإضافة للإشارة الخارجة فى بعض الحالات يكون الضجيج من أجهزة الاستشعار أقل من
إشارة العنصر فى الأجهزة الإلكترونية أو أقل من التقلبات من الإشارة الفيزيائية
فتكون الضوضاء قليلة الأثر .
1 ) المجسات الضوئية :
إن المجسات الضوئية الكيميائية تتغير الخصائص
البصرية بالتفاعل مع العوامل المراد دراستها وتعتبر خاصيتى الامتصاص والوميض من
الخصائص البصرية المستغلة فى مجال الاستشعار الكيميائية وتعمل عدد كبير من أجهزة
الاستشعار الضوئية على أساس التغير فى معامل الانكسار الناجم عن التحقيق على طبقة
الاستشعار ويعد جهاز الكشف عن مادة الكازين فى الحليب المركب نموذجا ويستند الجهاز
على اكتشاف التغيرات فى امتصاص طبقة الذهب .
2 ) مجسات الأشعة تحت الحمراء :
تستخدم مجسات الأشعة تحت الحمراء فى تشغيل جهاز التحكم
عن بعد فى التلفاز للتنقل بين القنوات حيث يحتوى جهاز التحكم عن بعد على باعث
للأشعة تحت الحمراء أما جهاز التلفاز فهو مزود بمجسات الأشعة تحت الحمراء والمجسات
قادرة على استقبال الأشعة الصادرة عن جهاز التحكم وتحويلها لإشارات كهربائية يتم
ترجمتها لأوامر تشغيلية وتنفيذية كما أن مجسات الأشعة تحت الحمراء قادرة على رصد
الحركة فى الظلام فتستخدم بكثرة فى كاميرات المراقبة وأنظمة الإنذار .
3 ) المجسات الصوتية :
إن الحساسات التى تعمل على استشعار الصوت فهو عبارة عن
حركة الجزيئات عامة والهواء خاصة حيث يصنع مستشعر الصوت ميكروفون من مواد عدة
ومنها الكربون الذى يكون مضغوطا بين شريحتين معدنيتين بفرق جهد كهربى لتوليد تيار
كهربى صغير يتسبب فى اهتزاز شريحة واحدة التى تؤدى لتحريك الكربون وصنع إشارة
كهربية فى سلك الحساس الصوتى ( الميكروفون ) وتستخدم المجسات الصوتية فى أجهزة
الهواتف المتنقلة الحديثة .
4 ) المجسات الحرارية :
عندما تصل درجة الحرارة لدرجة معينة فى سخان الماء
الكهربى يتوقف عن التسخين كيف يمكن للسخان أن يقرأ درجة الحرارة التى وصل إليها
الماء ويتمكن من إعطاء أمرا بوقف عملية التسخين ؟ إن الجهاز الذى يقوم بقراءة درجة
الحرارة وإبداء الأوامر بناء على القراءات بالمجس الحرارى والمجسات الحرارية تقوم
باستشعار درجة حرارة الوسط المحيط ومن ثم تحويلها لكميات كهربية مكافئة وتوجد
المجسات الحرارية فى أنظمة التدفئة الذكية .
5 ) الاتجاهات الحديثة فى المجسات ( أنوف إلكترونية )
:
إن أجهزة الاستشعار الغازية والكيميائية لتحليل
المركبات العضوية المتطايرة والغازية فإن توظيف أجهزة الاستشعار الكيميائية فى شكل
مجموعة مع التعرف على الأنماط مما يوفر درجة عالية من الانتقائية والعودة للوراء
مما يؤدى لمجموعة واسعة من التطبيقات .
عندما تستخدم النظم لتحليل الرائحة ( أنوف الكترونية )
وتطبيق الأنوف الإلكترونية يتراوح من الصناعات الغذائية والطبية للرصد البيئى
والتحكم فى العمليات وقد استخدمت العديد من أنواع من أجهزة الاستشعار الغاز
المختلفة فى المصفوفة .
الجرافين :
مادة جديدة تتميز بالصلابة والمرونة والشفافية
والتوصيلية الفائقة .
ويعتبر الجرافين أساس الجهود البحثية المتنامية بسبب
خصائصها الفريدة المثيرة للاهتمام لكل من العلم والتطبيقات الأساسية .
أهم خصائص الجرافين :
1 ) مادة فى مجال النانومتر وهى ثنائية الأبعاد عبارة عن
طبقة واحدة رقيقة معبأة بإحكام بذرات الكربون النقى ترتبط مع بعضها البعض بشكل
سداسى .
2 ) له خاصية التأصل وهى خاصية تمتاز بها بعض العناصر
الكيميائية من حيث تواجدها فى أشكال مختلفة ( شكلين أو أكثر ) فى نفس الحالة
الفيزيائية .
3 ) أحد أشكال الكربون التى تشمل الفلورين والماس
وأنابيب الكربون النانونية وهو متأصل من الكربون .
4 ) عند جمع طبقات الجرافين فوق بعضها يتشكل الجرافيت
حيث تكون المسافات بين الطبقات نحو ( 0.335 نانومتر ) .
5 ) أرق مركب معروف للعلماء لا يتجاوز سمكه ذرة واحدة
وأخف المواد المعروفة حيث يزن المتر المربع الواحد نحو ( 0.77 مللجم ) .
6 ) أقوى مركب تم اكتشافه بين ( 100 / 300 مرة ) أقوى من
الفولاذ حيث تبلغ صلابة الشد نحو ( 150 مليون باوند / البوصة المربعة ) وموصل جيد
للحرارة فى درجة حرارة الغرفة .
7 ) أفضل موصل للكهرباء وقد أظهرت الدراسات وجود
الإلكترون المتنقل بقيمة أكثر من ( 15000 سم مربع / سرعة / ث ) .
8 ) إن الجرافين يمتص الضوء حيث يمتص ( 2.3 % ) من الضوء
الأبيض .
إن الكربون العنصر الذى يشكل ثانى كتلة أكثر وفرة فى جسم
الإنسان ورابع عنصر أكثر وفرة فى الكون ( بالكتلة ) بعد الهيدروجين والهليوم
والأكسجين وهذا يجعل الكربون الأساس الكيميائى لجميع أشكال الحياة المعروفة على
الأرض ويكون الجرافين صديق البيئة المستدام لعدد غير محدود من التطبيقات ومنذ
اكتشافه تبذل العديد من الأبحاث العلمية خاصة فى مجال الإلكترونيات والتكنولوجيا
الحيوية .
إن المشكلة الأساسية التى حالت دون إتاحة الجرافين للبحث
التنموى والاستخدامات التجارية صعوبة تصنيع جودة عالية من الجرافين فهى عملية
مكلفة ومعقدة وإن بعض طرق التصنيع يتم فيها استخدام مواد كيميائية سامة .
كيف تم اكتشاف الجرافين ؟ :
عند تقشير أجزاء صغيرة من الجرافين فلم تتوافر المعدات
اللازمة لعزل الجرافين .
ملحوظة : تطبيقات الجرافين فى صناعة الصلب وبوتقة صهر
الأقطاب الكهربائية ومواد التشحيم وبطانات الفرامل .
لقد تم دراسة الجرافين نظريا حيث اعتقد العلماء استحالة
وجود مادة ثنائية الأبعاد فلم يتم عزل الجرافين ولقد بدأ العلماء المحاولات
الثمينة لتقشير الجرافين عن طريق فرك الجرافين لكن تم عزل الجرافين باستخدام مواد
أخرى فعن طريق تلميع قطعة كبيرة من الجرافيت لعدة طبقات وكانت القدرة على الوصول
إلى ( 1000 طبقة ) ولقد استخدم منهج مختلف وتم وضع شريط لاصق على الجرافيت حيث تم
تقشير الجرافيت لإيجاد رقائق الجرافين وتم وضع المزيد من الشريط اللاصق لتقشير طبقات
أرق وأرق حتى تم الحصول من الجرافين على ( 10 ) طبقات من ذرات الكربون .
ولقد عمل العلماء على الارتقاء بتكنولوجيتهم حيث تم
الحصول على طبقة واحدة من ذرات الكربون ولقد تحسن إنتاج الجرافين بسرعة فتم خلق
فيلم من الجرافين بعرض ( 30 بوصة ) فالجرافين مادة غير مألوفة .
إن الاهتمام بأبحاث الجرافين لخواصه الفيزيقية غير
الطبيعية حيث تتحرك الإلكترونات عبر ورقة الجرافين بشكل سريع لا يصدق كما لو كانت
عديمة الكتلة والحركة تجعل الجرافين فريد فى خواصه .
خصائص الجرافين :
1 ) موصل : الإلكترونات هى الجسيمات التى تتسبب فى مرور
الكهرباء فعندما تتحرك الإلكترونات فى الجرافين بسرعة فإنه يسمح للكهرباء بالتحرك
بسرعة وإن الإلكترونات فى الجرافين تتحرك ( 200 مرة ) أسرع من السيليكون كما أن
الجرافين موصل جيد للحرارة ولا يعتمد على وجود مصدر خارجى للحرارة أى أن الجرافين
يعمل بشكل طبيعى فى درجة حرارة الغرفة .
2 ) قوى : لاختراق ورقة من الجرافين نحتاج وزن ثقيل جدا
فإنها قوية جدا بسبب نمطها المستمر غير المتقطع وروابطها قوية بين ذرات الكربون
حتى عندما يتم لحام ورقتين من الجرافين معا إلا أنها تبقى أقوى المواد .
3 ) مرنة : إن روابط الجرافين القوية بين ذرات الكربون
مرنة جدا حيث يمكن سحبها أو انحناؤها دون كسر مما يعنى أن الجرافين قابل للانحناء
والمط .
الشفافية :
إن الجرافين يمتص ( 2.3 % ) من الضوء المرئى مما يعنى
أنه يمكن أن نرى من خلال ورقة الجرافين دون الاضطرار للتعامل مع أى ضوء خارجى .
استخدامات الجرافين :
1 ) الخلايا الشمسية : إن الخلايا الشمسية تعتمد على
أشباه الموصلات لامتصاص أشعة الشمس وتصنع أشباه الموصلات من عناصر كالسيليكون
مكونة من طبقتين من الإلكترونات .
الطبقة الأولى : الإلكترونات فى حالة هدوء .
الطبقة الثانية
: الإلكترونات تتحرك بحرية وتتسبب فى تدفق الكهرباء وتعمل الخلايا الشمسية
عن طريق تحويل الطاقة من جزيئات الضوء إلى
إلكترونات هادئة والتى تصبح مثارة وتقفز للطبقة الثانية
حيث التدفق الحر الذى يسمح بتدفق المزيد من الكهرباء حيث تتداخل الإلكترونات فى
طبقات الجرافين مما يعنى طاقة ضوئية أقل وأن الجرافين أرق وأخف وزنا ( 100 الألاف
) من المرات من التى تعتمد على السيليكون .
2 ) الترانزستورات : تعتمد رقائق الكمبيوتر على مليارات
الترانزستورات للسيطرة على تدفق الكهرباء فى دوائرها وقد ركزت الأبحاث على صنع
رقائق أكثر قوة بوضع المزيد من الترانزستورات ويمكن صنع ترانزستورات أكثر رقة وقوة
بسبب سرعة تدفق الإلكترونات
( الجزيئات التى تسبب الكهرباء ) .
3 ) الشاشات الشفافة : أجهزة كأجهزة التلفاز البلازمية
والهواتف والمغلفة مع مادة ( أكسيد القصدير / الإنديوم ) حيث أنه موصل جيد
للكهرباء وفى درجة حرارة الغرفة وتتميز بالمرونة والشفافية ويعتبر الجرافين الخيار
الأفضل فى التطبيق حيث أنه مادة غير عاكسة وشفافة جيدة التوصيل مما يؤهلها لأن
تستخدم كطلاء للأجهزة التى تعمل باللمس
المتوقع من الجرافين :
يوجد استخدام آخر للجرافين فى الطلاء فالجرافين مادة
خاملة يمكن أن تكون بمثابة مانع للتآكل بين الاكسجين واختراق المياه مما يعنى أن
المركبات القادمة من الممكن أن تكون مقاومة للتآكل حيث يمكن نمو الجرافين على أى
سطح معدنى فى ظروف صحيحة بسبب قوتها كما يجرى تطوير الجرافين كبديل محتمل للألياف
الفائقة المتانة حيث تظهر فى صناعة السيارات وربما تستخدم كمادة بناء وسوف تبدأ فى
رؤية الملابس المحتوية على الخلايا الضوئية محسنة بالجرافين والمكثفات الفائقة مما
يمكن من شحن الهواتف النقالة وأجهزة الكمبيوتر فى دقائق أو ثوان أثناء المشى
للمدرسة أو العمل .
تآكل الفلزات والمعادن بسبب التفاعلات الكيميائية
والكهروكيميائية :
يمثل التآكل أهم الأخطار التى تتعرض لها المنشآت
الصناعية فرغم خطورة التآكل وتأثيراته السلبية على الاقتصاد .
إن التآكل عبارة عن انهيار المنشآت الفلزية كنتيجة
لتفاعلها مع البيئة المحيطة بها فهو عبارة عن تفاعلات كيميائية أو كهروكيميائية
تحدث على أسطح الفلزات عندما يكون المعدن على صلة بالوسط المسبب للتآكل كالمحاليل
المائية أو الهواء أو التربة .
لماذا تتآكل الفلزات والمعادن والسبائك ؟
إن التآكل يستشرى فى المنشآت الفلزية وإن الفلزات
والمعادن والسبائك تستخدم وهى فى حالة غير مستقرة وإن التآكل عملية تلقائية طبيعية
يتم فيها إعادة الفلزات من صورتها الانتقالية الحرة لصورها الثابتة الاتحادية
والتى كانت متواجدة عليها فى الطبيعة قبل استخلاصها والتآكل هو الطريق الذى تستعيد
به الطبيعة ما اغتصبه منها الإنسان من فلزات وأنه ليس من العملى محاولة إيقاف
التآكل بصفة نهائية وعن طريق محاولة الحد من معدل وقوع التآكل والسيطرة عليه وبفضل
دراسة الإجراءات والسبل فى مرحلة التصميم وقبل بداية مرحلة التصنيع فإن مشكلة
التآكل سوف تظهر من جديد عندما تبدأ مرحلة التشغيل .
إن كافة الفلزات والمعادن والسبائك معرضة لعملية التآكل
ولا توجد مادة تكون مناسبة لكافة التطبيقات وفى منآى عن التآكل ففلز الذهب
والمعروف بمقاومته المتميزة للتآكل الجوى نجد أنه سريع التآكل والذوبان إذا ما
تلامس مع الزئبق عند درجات الحرارة الاعتيادية ونجد أن فلز الحديد لا يتأثر بفعل
الزئبق ولكنه سرعان ما يصدأ فى الهواء الجوى ويوجد العديد من الفلزات والسبائك
الفلزية التى تستطيع أن تؤدى عملها بنجاح فى أوساط محددة فالعديد من الطرق
المتوفرة والتى يمكن بواسطتها السيطرة على التآكل .
أسباب التآكل :
1 ) أسباب اقتصادية :
إن التآكل مكلف جدا فالشركات تنفق أموالا طائلة من أجل
تصنيع مواد جديدة أكثر مقاومة للتآكل .
2 ) أسباب أمنية :
إن الانهيار المفاجىء للوحدات الصناعية والمنشآت بفعل
التآكل قد يتسبب فى اشتعال النيران وحدوث الحرائق ووقوع الانفجارات وإطلاق الأبخرة
والمواد السامة مما قد يؤدى لوقوع العديد من الإصابات والوفيات وتوجد العديد من
الحوادث التى كان فيها التآكل العامل الرئيسى فى انفجار سخانات المياه بسبب تراكم
نواتج التآكل على الأنابيب وغرق السفن .
3 ) أسباب بيئية :
عند تآكل الأنابيب البترولية المدفونة فى الأرض
فيؤدى لزيادة تلوث البيئة وتسرب مواد سامة للنباتات والمياه والإنسان مما يعرضه
لمشاكل صحية خطيرة .
4 ) المحافظة على الموارد الطبيعية :
إن التآكل يسبب فقدا للموارد الطبيعية فيتحول طن من
الحديد الصلب لصدأ كل ( 90 ث ) ولقد أهدرت الطاقة التى استهلكت فى إنتاجه ويسبب
التآكل تدهور الخارصين وأسطح الرصاص كما يؤدى تآكل أنابيب المياه وتشققها لفقد
للمياه الطبيعية .
إن التكاليف غير المباشرة الناتجة عن التآكل الفعلى قد
يصعب تقديرها
1 ) تكاليف الحماية حيث يتم طلاء الفلزات المستخدمة أو
حمايتها بالطرق المعروفة .
2 ) إضاعة الوقت فى المصانع نتيجة التوقف لإصلاح الأجزاء
المتآكلة للأجهزة والمعدات وهو جزء بسيط من التكلفة الفعلية فيوجد تكاليف الصيانة
الدورية المرتفعة فقد يكلف إيقاف خط إنتاج داخل المصانع لإصلاح خلل سببه التآكل
مبالغ كبيرة من المال .
3 ) تكاليف الدعاوى القضائية التى يرفعها المستهلكون
بسبب تلف الأجهزة نتيجة للتآكل .
4 ) انخفاض كفاءة الأجهزة بسبب تراكم نواتج التآكل .
العوامل المؤثرة على عملية التآكل :
1 ) موقع المعدن فى السلسلة الكهروكيميائية أى قابلية
التآكل عند تلامسه مع الفلزات الأخرى .
2 ) درجة الحموضة للمحلول حيث تتأثر سرعة التآكل بدرجة
الحموضة للمحلول وإن تآكل المعادن يزيد بشدة الحموضة .
3 ) درجة الحرارة حيث تزيد سرعة تفاعلات التآكل مع زيادة
درجة الحرارة وقد يؤثر تغير درجة الحرارة على ذوبانية نواتج التآكل أو قد يغير من
موقع الاتزان فى تفاعلات التآكل وتتغير قيمة الحموضة مع زيادة درجة الحرارة بسبب
زيادة الحجم .
4 ) وجود غشاء
الأكسيد على المعدن حيث إن المعادن الشديدة التفاعل مع الأكسجين كالألمنيوم
والماغنسيوم والتيتانيوم تعتبر ثابتة لحد كبير فى وجود الأكسجين بينما المعادن
المتفاعلة الأخرى كالمعادن القلوية وشبه القلوية فإنها تتأكسد بسرعة وبشكل كامل
لأن حركية التفاعل تتحدد بالأكسيد المتكون على سطح المعدن والذى يكون غشاء حاميا
فى المجموعة الأولى وغشاء غير حام فى المجموعة الثانية
5 ) تجانس المعدن حيث تعتبر السبائك محاليل صلبة لأنها
تحتوى على عدة مكونات مختلفة وتحضر بصهر نسب معينة من المعادن المكونة للسبيكة عند
درجة حرارة عالية بحيث تتكون محاليل صلبة ثم يتم تبريد المحلول المنصهر وببطء
للحصول على الشكل البلورى المطلوب .
ولقد وجد أن معدل تبريد المعادن أثناء السبك يعتبر عاملا
مهما جدا فى تحديد الخواص الميكانيكية للمعدن كما أنها تؤثر على خواص التآكل
للمعادن ولما كان معدل التبريد غير متساو فى جميع الجوانب فإنه تحدث تشوهات حيث
تكون ذرات المعدن فى البلورة المعدنية غير متساوية فى الطاقة وعند التبريد تتجمع
البلورات بشكل طبقات وإن أصغر تركيب للبلور ( وحدة الخلية ) وعند تجمع الوحدات
تكون حبيبية وإن المسافات بين الحبيبات ( الحدود الحبيبية ) وتترسب أغلب المواد
غير البلورية فى الحدود الحبيبية مما يجعلها مختلفة كيميائيا أو فيزيائيا عن باقى
البلورة ويبدأ التآكل فى المسافات البينية وتتحرك الذرات والدقائق المكونة للسبائك
حركة بسيطة عند تسليط إجهادات عليها .
6 ) مكونات الوسط حيث يعتبر الأكسجين أكثر عامل مؤكسد له
تأثير على عملية التآكل وتميل غالبية المعادن للتآكل فى وجود الأكسجين وإن سرعة
التآكل فى وجود الاكسجين أكثر بكثير منها عند غياب الأكسجين وفى الهواء الجوى توجد
بعض الملوثات التى قد تزيد من حدة التآكل كثانى اكسيد الكبريت وقد يسرع التآكل
بوجود كائنات ميكروبية بسبب تكوينها مواد عنيفة كأيونات الكبريتيد .
7 ) تأثير سرعة حركة الوسط حيث يزداد معدل التآكل عندما
تكون للحركة فعل ميكانيكى من شأنه أن يسبب تآكل التعرية وقد تزداد سرعة التآكل عند
وجود ذرات أو جزيئات صلبة تؤثر على حالة سطح المعدن وذلك فى التآكل الجوى أو زيادة
حركة مكونات المحلول .
كيفية حدوث التآكل :
لكى يحدث التآكل يجب توفر ( 3 شروط ) :
1 ) معدنان مختلفان وإلكتروليت ( مياه مذاب بها أى نوع
من الأملاح ) .
2 ) مسار معدنى موصل بين المعادن المختلفة .
ويمكن أن يكونان المعدنان المختلفان عبارة عن سبيكتين
مختلفتين كالصلب والألمنيوم ولكن ما تكون الفروق معدنية مجهرية أو عينية على سطح
قطعة واحدة من الصلب .
إذا توفرت الشروط السابقة على سطح المعدن الأكثر نشاطا
حيث يعتبر الصلب الذى يتآكل بحرية بطريقة غير موحدة فسيحدث التفاعل فى المواقع
الأكثر نشاطا حيث يمتزج الحديد مع الاكسجين والماء ليكون هيدروكسيد الحديد وهو
ناتج التآكل .
التآكل العام أو المنتظم :
حيث إن معدل التآكل ثابت على أسطح المعدات كالمواسير
والكبارى .
التآكل الجلفانى :
يحدث هذا النوع من التآكل عند اتصال كهربى لمعدنين
مختلفين فى الجهد الكهربى بواسطة محلول اليكتروليتى .
تآكل التنقر :
إن تآكل التنقر بأن تكون نقر عميقة على سطح غير متآكل
ويمكن للنقر أن يتخذ أشكالا عدة حيث يكون شكل النقر السبب الأساسى المسئول عن
استمرار نمو التآكل .
التآكل بين الفجوات :
يحدث فى الفجوات الصغيرة الموجودة بين معدنين كفجوات
المسامير حيث اختلاف تركيز الاكسجين عن السطح الخارجى .
التآكل الاختيارى :
يحدث بسبب اختلاف موضعى فى تركيب السبائك بحيث يبقى
المعدن الأكثر كاثودية ويتآكل المعدن الأكثر أنودية .
التآكل المصاحب بعامل ميكانيكى :
يحدث نتيجة قوى القص والاحتكاك بين البيئة والمعادن ويرجع
سبب التآكل لتأثير الفعل الميكانيكى للبيئة على المعدن .
كيفية السيطرة على التآكل ؟
1 ) اختيار المواد : إن التحكم فى التآكل يعتمد على
استخدام مواد ذات مقاومة عالية للتآكل لوسط معين .
إن القواعد العامة التى يمكن تطبيقها عند اختيار المواد
المعدنية والسبائك المقاومة للتآكل فى التطبيقات الهندسية :
1 ) فى الأوساط المختزلة أو غير مؤكسدة كالحوامض الخالية
من الهواء أو المحاليل المائية تستخدم سبائك النيكل والنحاس .
2 ) فى الأوساط أو الظروف المؤكسدة تستخدم السبائك
المحتوية على الكروم .
3 ) فى الأوساط المؤكسدة القوية تستخدم مادة التيتانيوم
وسبائكه .
2 ) التغطيات : إن التغطيات أكثر الطرق المستخدمة للتصدى
لعملية التآكل ويتلخص عمل التغطيات فى الحد من عملية التآكل المعدنى فى أنها تقوم
بعزل المعدن عن الوسط الآكل كلية أو أنها تؤخر حدوث التفاعل بين كل من المعدن
المراد حمايته والوسط الآكل .
وبشكل عام فإن التغطيات لا تستخدم لحماية المعادن من
تأثير المواد الكيميائية القوية ولكنها تستخدم فى الأوساط المتعادلة ولمقاومة
التآكل الجوى أو التآكل فى الماء أو فى داخل التربة ويوجد المئات من الأنواع
المختلفة من التغطيات والكثير منها عبارة عن خلائط من مكونات مختلفة وبنسب مختلفة
لتحقيق خصائص معينة .
3 ) الطلاء المعدنى : يستخدم لحماية المعادن من التآكل
بإضافة طبقة من الطلاءات لمنع اتصال المعدن بوسط التآكل .
والطلاء المعدنى يتم باستخلاص الطلاء الكهروكيميائى ومن
المهم فى هذه الحالة المسامية لأنه إذا تمت حماية المعدن بواسطة معدن آخر جهده
أكثر ايجابية نجد أن تآكلا سريعا يحدث للمعدن المطلوب حمايته إذا وجد ثقبا فى
الطلاء لأن مساحة الأنود تكون صغيرة جدا بالمقارنة بمساحة الطلاء الذى يمثل
الكاثود مما يجعل كثافة تيار التآكل كبيرة فيجب ملاحظة عدم وجود أى ثقوب فى الطلاء
بزيادة سمك طبقة الطلاء ومن أمثلة النوع الصلب المغطى بالكروم .
4 ) الطلاء باستخدام البويات : طلاء غير معدنى يستخدم
لعزل المعدن المطلوب حمايته عن وسط التآكل بتكوين طبقة على سطح المعدن ولكى يكون
الطلاء متماسكا على المعدن لا بد من تنظيف سطح المعدن قبل الطلاء بإزالة أى أكاسيد
أو شحوم أو نواتج تآكل وسمك الطلاء مهم جدا لكى نقلل المسامية بقدر الإمكان .
5 ) التصدى للتآكل بالحمايات الكاثودية والأنودية :
الحماية الكاثودية والأنودية طرق للتخلص أو تقليص معدل التآكل للمنشآت الفلزية
وتحد من تكاليف الصيانة والاستبدال وتسمح باستخدام مواد أرخص للإنشاء والتشييد
فعندما يتآكل فلز يمر تيار كهربائى بين المساحات الأنودية والكاثودية المتواجدة
على سطح الفلز وأنه كلما زادت قيمة التيار الكهربى كلما زاد معدل التآكل فإذا
استخدم دائرة كهربية خارجية فإنه يمكن فرض تيار إضافى على الفلز ونتمكن من تغيير
السيطرة على معدل التآكل الخاص به .
6 ) اعتماد التصميم الجيد : ما يتحاشى أو يقلل من احتمال
حدوث خلايا تآكل ويسهل تطبيق وسائل مكافحة التآكل على المنشأت أو الكشف عليها ويجب
تجنب الاتصال المباشر بين معدنين مختلفين وعدم وجود مصائد لتجمع الماء أو الغازات
أو الهواء والتقليل من وجود الأجزاء المضغوطة
7 ) استخدام مانع للتآكل : مادة كيميائية تضاف للسوائل
فتمنع التآكل على جدار الوعاء الذى يحتويها لأنها تحول دون حدوث التفاعلات
الكيميائية عند الآنود أو الكاثود أو كليهما .
المواد والطاقة المتجددة ( أذرع التوربينات الهوائية من
الألياف الزجاجية لتوليد الطاقة بكفاءة ) :
الطاقة عصب الحياة وتوفرها دلالة على استقرار الدول وعلى
قدرتها على تحقيق معدلات نمو اقتصادى مرتفع والطاقة يمكن توفيرها من خلال مصادر
تقليدية غير متجددة كالبترول والغاز الطبيعى والفحم ( الوقود الاحفورى ) أو من
خلال مصادر غير تقليدية متجددة كالطاقة الشمسية وطاقة الرياح وطاقة الكتلة الحيوية
والطاقة إما أن تكون مخزنة فى المادة كما فى البترول أو الغاز الطبيعى أو الفحم أو
أن تكون الطاقة قد أكسبت المائع ( الهواء أو الماء ) طاقة حركية كما فى طاقة
الرياح أو فى الطاقة الهيدروليكية أو قد تتحول المادة نفسها إلى طاقة كما فى
الأشعة الشمسية المنبعثة من الشمس ( أكبر مفاعل نووى لتحويل المادة لطاقة إشعاعية
) فالقدرة على استخراج الطاقة وتحويلها من الشكل الأولى إلى شكل يمكن الاستفادة
منه تعتمد بدرجة كبيرة على مدى التقدم فى دراسة علوم المواد
إن علوم المواد سوف يمكن لها تحويل الطاقة بكفاءة عالية
وبأقل قدر من التلوث البيئى وباستخدام أدوات لا تؤثر على النظام البيئى ولها
ديمومة عالية فإن حرق الوقود الاحفورى لاستخدامه لتوليد الطاقة يسبب ثلوثا بيئيا
بل استنزاف لثروة طبيعية تكونت عبر السنين التى يمكن تحويلها لمواد جديدة ذات قيمة
مضافة عالية من خلال الصناعات البتروكيماوية .
طاقة الرياح :
تعتبر طاقة الرياح من أقدم الطاقات المتجددة المستخدمة
لضخ المياه من تحت سطح الأرض أو لتسيير السفن عبر البحار أو المحيطات وتستخدم
توربينات الرياح بأعداد كبيرة فى الأماكن التى لديها سرعات رياح عالية على مدار
العام حيث تتناسب القدرة الكهربية المتولدة من التوربينات مع مكعب سرعة الهواء (
مزارع الرياح لتوليد الطاقة الكهربية ) .
وتعتمد التوربينات على تحويل حركة الهواء لحركة دورانية
لأجنحة التوربينات وتستخدم الحركة الدورانية لتوليد الطاقة الكهربية وتتناسب
القدرة الكهربية المتولدة مع طول جناح التوربينات ولقد تعدى طولها
( 60 م ) ويمثل التحدى الكبير للتوربينات فى تصنيعها
ونقلها وتركيبها وتشغيلها وصيانتها بجانب التصميم الدقيق لجسم الجناح الذى يحول
بانسيابية حركة الرياح لحركة دورانية فإن وزن الجناح يمثل حملا إجهاديا على الجناح
نفسه وعلى البرج المثبت به حتى بدون حدوث دوران .
والمواد المستخدمة لتصنيع جسم الجناح لا بد أن تتميز
بخفة الوزن ومعامل صلابة مرتفع ومعامل عال لتحمل الإجهادات ومن الصعوبة تحقيق
الأهداف إلا باختيار دقيق للمواد كالأبوكسيات وألياف الزجاج والكربون التى تتميز
بخواص ميكانيكية عالية مع خفة وزنها .
ويوجد تحد آخر يتمثل فى الإتجاه لتركيب التوربينات
الهوائية داخل مياه البحار والمحيطات حيث يمكن أن توجد سرعات رياح أعلى عنها فى
البر ويتم تجنب التأثير السلبى للضوضاء التى تنجم عن دورانها ولكن يجب دراسة كيفية
تجنب آثار البيئة المالحة القاسية التى تؤثر على الآداء وطول عمر تشغيل مكونات
الأنظمة ويصاحب الإتجاه صعوبة قصوى لنقل وتركيب البرج والأجنحة وتوصيل للكابلات
للشاطىء .
الطاقة الشمسية الحرارية :
يمكن استغلال الطاقة الشمسية الحرارية لأغراض التسخين
المباشر كتسخين الماء للتطبيقات المختلفة أو تسخين الهواء لعمليات التجفيف أو
استغلال الطاقة الشمسية الحرارية بغرض توليد الكهرباء كما فى محطات تركيز الطاقة
الشمسية وفى حالة أنظمة سخانات المياه الشمسية يتم استخدام المجمع الشمسى كجزء
أساسى فى النظام ويتكون المجمع الشمسى من لوح معدنى من مادة جيدة التوصيل للحرارة
كالنحاس موصل به أنابيب يمر بها الماء المسخن ويتم طلاء اللوح المعدنى بدهانات ذات
خصائص انتقالية لامتصاص الأشعة الشمسية الساقطة معتمدا على الطول الموجى للأشعة
الشمسية والدهانات تتميز بقدرتها العالية على امتصاص الأشعة الشمسية الساقطة وفى
نفس الوقت تتمتع بقدرة إنبعاثية منخفضة فى مدى الأشعة تحت الحمراء ذات الأطوال
الموجية الطويلة ويتم تغطية المجمع الشمسى بلوح زجاجى ويتميز الزجاج بصفاته
الانتقائية حيث يسمح بنفاذ جزء كبير من طيف الأشعة الشمسية فى حين يمتص الأشعة تحت
الحمراء ذات الموجات الطويلة وتعتمد نظرية عمل المجمع الشمسى على فكرة الصوبة
الزجاجية حيث يتم دخول أشعة الشمس من خلال لوح زجاجى لتسقط وتمتص بواسطة لوح معدنى
مطلى بدهانات خاصة ذات صفات انتقائية ونتيجة لامتصاص الأشعة الشمسية ترتفع درجة
حرارة اللوح المعدنى المطلى وتنبعث منه أشعة حرارية ذات موجات طويلة يمتصها اللوح
الزجاجى ولا يمررها للخارج ويعيد جزءا منها لداخل المجمع الشمسى ومع العزل الحرارى
الجيد للمجمع الشمسى من قاعدته وجوانبه ترتفع درجة الحرارة للمجمع الشمسى مع
امتصاص الأشعة الشمسية وترتفع درجة حرارة المياه الماره بالأنابيب المتصلة حراريا
باللوح المعدنى المطلى حتى يصل المجمع الشمسى لدرجة حرارة الاتزان الحرارى .
وعن طريق دراسة خواص المواد المستخدمة فى المجمع الشمسى
فإن المواد المستخدمة لعزل المجمع الشمسى يجب أن تتصف بمعامل توصيل حرارى منخفض
فاللوح المعدنى المطلى والأنابيب المتصلة به يجب أن تكون من معدن ذى معامل توصيل
حرارى عال ومقاومته للتآكل عالية ويكون سهل التشكيل والتشغيل أما الدهانات فبجانب
الصفات الانتقائية لعملية امتصاص الأشعة الشمسية فيجب أن تكون لها قدرة عالية على
الالتصاق بسطح المعدن حتى لا تنفصل أثناء فترة تشغيل المجمع الشمسى
بالنسبة للزجاج الأمامى فيجب أن يتصف بأعلى درجة من
النقاء والشفافية لمرور الطاقة الشمسية الساقطة ولا يسمح بمرور الأشعة الحرارية
المنبعثة من اللوح المعدنى المطلى ويجب أن تكون له خواص ميكانيكية تسمح بحماية
المجمع الشمسى حيث أنه الواجهة الأمامية للمجمع الشمسى وغالبا ما تتعارض الخواص
الميكانيكية مع إمكانية الحصول على درجة عالية من النفاذية للأشعة الشمسية الساقطة
وجميع المكونات لا بد أن تتميز بقلة التكلفة وسهولة التشغيل والديمومة بحيث لا
تتغير الصفات مع الزمن وظروف التشغيل .
وانتشر استخدام الأنابيب الشمسية المفرغة لتسخين المياه
ويوضع داخل الأنابيب الزجاجية ذات الطبقتين أنابيب داخلية مدهونة بدهانات ذات صفات
امتصاص إنتقائية بحيث تمتص الأشعة الشمسية بكفاءة عالية ويوجد داخل الأنابيب سائل
يتحول لبخار نتيجة امتصاص الأشعة الشمسية ويصل لأعلى الأنبوبة لتتم عملية التبادل
الحرارى غير المباشر بين الماء المسخن والبخار المتكثف بعد أن يفقد الحرارة
المكتسبة ليهبط لأسفل الأنبوب الداخلى ليعاد تسخينه مرة أخرى ويتم تسخين المياه
بطريقة غير مباشرة وتتميز التكنولوجيا بكفاءة حيث تقل معدلات فقد الحرارة سواء
بالإشعاع نتيجة وجود دهانات عالية الانتقائية أو بالحمل والتوصيل نتيجة وجود
التفريغ الهوائى وطبقتين من الزجاج ونتيجة الآداء المتميز للأنابيب يمكن استخدامها
للتسخين غير المباشر لسوائل أخرى بخلاف الماء الذى يصل لدرجات حرارة مرتفعة أو
التسخين المباشر لدرجات حرارة أكثر ارتفاعا من خلال تسخين السائل الداخلى ويمكن
استخدامها فى تطبيقات التبريد باستخدام الطاقة الشمسية أو توليد البخار لاستخدامه
فى محطات توليد الكهرباء بدلا من حرق الوقود الاحفورى .
ويستخدم نظام لتركيز الأشعة الشمسية عن طريق استخدام
أعداد كبيرة من المرايا ذات القدرات العالية على مساحات كبيرة لعكس الأشعة الشمسية
على برج شمسى تتركز فيه الطاقة الحرارية وترتفع درجة الحرارة لأعلى من ( 1000 درجة
مئوية ) ليتم تحويل الطاقة الحرارية لتوليد طاقة كهربية ويستخدم النظام مواد
لتخزين الطاقة الحرارية وتوليد الطاقة الكهربية حتى أثناء فترات الليل أو فترات
عدم سطوع الشمس .
الطاقة الفوتوفلطية ( الكهروضوئية ) :
تتميز الطاقة الفوتوفلطية ( الكهروضوئية ) بسهولة وبساطة
استخدامها حيث يتم تحويل الطاقة الشمسية مباشرة لطاقة كهربية من خلال الخلايا
الفوتوفلطية ( الكهروضوئية ) دون الحاجة لوجود أى أجزاء متحركة أو إلى تسخين أى
مكونات ولكى تتم عملية التحويل لا بد من وجود ( 3 ) شروط :
1 ) مادة لديها القدرة على امتصاص ضوء الشمس والاستفادة
من الطاقة لتوليد أزواج من حاملات التيار ( الإلكترونات ) ذوات الشحنة السالبة
والفجوات ( ذوات اتلشحنات الموجبة ) وتعتبر مادة السيليكون إحدى المواد شبه
الموصلة للحرارة والضوء والكهرباء .
2 ) مجال كهربى داخلى يعمل على فصل حاملات التيار قبل أن
يتم اتحادها عن طريق وضع شبه موصل من النوع الموجب المطعم بشوائب ثلاثية التكافؤ
بجانب شبه موصل من النوع السالب المطعم بشوائب خماسية التكافؤ حيث تنشأ بينهما
منطقة خالية من حاملات التيار وبها مجال كهربى .
3 ) توصيلات معدنية ملائمة تتصل مباشرة بكل من شبه
الموصل الموجب وشبه الموصل السالب حيث يتم من خلالها نقل حاملات التيار للأحمال
الخارجية ويمكن تغطية السطح الخلفى للخلية الفوتوفلطية
( الكهروضوئية ) كله بغشاء معدنى ولكن السطح الأمامى يجب
أن يغطى بطريقة ملائمة تسمح بوصول الأشعة الشمسية لداخل الخلية الفوتوفلطية
( الكهروضوئية ) من خلال السطح شبه الموصل الأمامى وتسمح
فى نفس الوقت بتوصيل المعدن لشبه الموصل .
وإن دراسة خواص المواد شبه الموصلة التى يتم على أساسها
الاختيار لتصنيع الخلايا الفوتوفلطية ( الكهروضوئية ) فإن معامل امتصاص الضوء يجب
أن يكون مرتفعا حتى يمكن للمادة امتصاص أكبر قدر من الأشعة الشمسية الساقطة
باستخدام أقل سمك ممكن للخلية الفوتوفلطية
( الكهروضوئية ) وبالنسبة لنطاق الطاقة الذى يميز أشباه
الموصلات فيجب أن تكون قيمته نحو ( 1.5 الكترون فولت ) حتى نضمن استفادة عالية من
الفوتونات الساقطة وأعلى آداء كهربى للخلية الشمسية ويجب أن تتصف المواد شبه
الموصلة بطول عمر الحياة لحاملات التيار المتولدة نتيجة امتصاص الضوء ويتحقق
للمواد التى يوجد بها أقل قدر ممكن من العيوب فى البنيان .
وبالنسبة للمجال الكهربى يجب أن يكون أكبر قيمة ممكنة ومن
خلال زيادة عملية التطعيم لكل من النوعين الموجب والسالب ولكن بالقدر الذى لا يقلل
من عمر حياة حاملات التيار المتولدة ويمكن زيادة عرض المنطقة التى يوجد بها المجال
الكهربى عن طريق استخدام مواد قليلة التطعيم أو بدون تطعيم فى هذه المنطقة وعند
اختيار المعدن الذى يوصل بالمادة شبه الموصلة يجب مراعاة أن تكون المعاونة
الكهربية خلال مرور حاملات التيار بينهما أقل ما يمكن حتى يتم الحصول على أعلى
قدرة كهربية والقدرة الكهربية الناتجة من خلية شمسية حاصل ضرب التيار × الجهد وفى
حالة السيليكون فإن قيمة التيار تعتمد على مساحة الخلية الفوتوفلطية ( الكهروضوئية
) فكل ( سم مربع ) يعطى 35 مللى أمبير
والجهد لا يعتمد على المساحة = 0.5 فولت وللحصول على
قدرة أعلى يتم توصيل عدد من الخلايا الكهروضوئية قد يكون ( 36 خلية متوالية )
للحصول على ( 18 فولت ) ويتم لصقهم على لوح زجاجى باستخدام مواد لاصقة شفافة تتميز
بثباتها العالى عند التعرض لدرجات الحرارة المختلفة والرطوبة والأشعة فوق
البنفسجية ويتم إجراء عملية كبسلة للخلايا الكهروضوئية لتكوين اللوح الكهروضوئى يعقبها
اختبارات متعددة فى ظروف جوية اصطناعية قاسية لقياس ديمومة اللوح الكهروضوئى
وتتراوح فترة تشغيل الألواح الكهروضوئية فيما بين ( 20 / 30 سنة )
وتمثل الخلايا السيليكونية الجيل الأول من الخلايا
الكهروضوئية .
ويوجد الجيل الثانى ( جيل الأغشية الرقيقة ) حيث يتم
تصنيع الخلايا مباشرة على ألواح زجاجية واستخدام تكنولوجيات بسيطة وغير مكلفة
كالرش والترسيب الكهروكيميائى والبعثرة لترسيب أغشية رقيقة من مركبات لمواد شبه
موصلة تتميز بمعامل الامتصاص للإشعاع الشمسى المرتفع والذى يساعد على تقليل سمك
المواد المستخدمة ويؤدى لخفض سعر الخلايا الكهروضوئية وهذا النوع من الألواح
المصنعة بتكنولوجيا الأغشية الرقيقة وعن طريق تطوير الخلايا الكهروضوئية المتعددة
الوصلات حيث تتكون الخلية الكهروضوئية المتعددة الوصلات من ( 3 ) خلايا مصنعة فوق بعضها
وتختص كل خلية كهروضوئية بجزء من الطيف الشمسى بحيث يتم الاستفادة القصوى من جميع
الأشعة الشمسية الساقطة على اختلاف أطوالها الموجية ومن خلال تغيير النسب للمركب
شبه الموصل كالألمنيوم والجاليوم والزرنيخ والتحكم فى سمك الأغشية الرقيقة
المترسبة من خلال تكنولوجيات عالية التكلفة تسمح بالتحكم فى نسبة المركب وسمكه
وينتج عن التكنولوجيا خلايا كهروضوئية ذات كفاءة عالية تسمح باستخدامها لتركيزات
عالية من الإشعاع الشمسى عن طريق عدسات وتزداد كفاءة الخلايا الكهروضوئية مع زيادة
تركيز الإشعاع الشمسى لتتعدى ( 45 % ) والألواح المصنعة من الخلايا الكهروضوئية
ولكن لا بد وأن تزود بنظام تحكم دقيق يسمح بتتبع الألواح لحركة الشمس أثناء
دورانها .
وإن الجيل الثالث من الخلايا الشمسية التى تجمع بين
استخدام المواد النانومترية والبوليمرات لتحضير مواد جديدة يمكن التحكم فيها
لتتوافق خصائصها مع متطلبات تحقيق أعلى كفاءة بأقل تكلفة ممكنة ويشمل الجمع بين
المواد العضوية وغير العضوية مما أدى لظهور مادة جديدة
( البيروبسكايتى ) حيث تعدت كفاءة الخلية الكهروضوئية
المصنعة من مادة ( البيروبسكايتى ) ( 20 % ) ومادة ( البيروبسكايتى ) تتميز بسهولة
تحضيرها وإمكانية توظيف خواصها من أجل تصنيع خلايا كهروضوئية بتكنولوجيات قليلة
التكلفة وتحقيق كفاءة عالية .
وجدى رياض
تنقيح / أسامة ممدوح
عبد الرازق مصطفى شرف 16 / 2 / 2016
ليست هناك تعليقات:
إرسال تعليق