مولّد حراري مطبوع بأوريغامي يحقق > 20 واطم−² من الحرارة منخفضة الدرجة عبر تصميم المادة والعملية

تحويل الحرارة المهدورة إلى طاقة مفيدة

كل يوم، تتخلص أجهزتنا ومصانعنا وحتى سخّانات المنازل من كميات كبيرة من الحرارة منخفضة الدرجة. هذه الطاقة الدافئة ولكن غير الساخنة عادةً ما تتبدد في الهواء دون استخدام. تُظهر الدراسة الموصوفة هنا كيف يمكن تحويل تلك الدفء المفقود إلى كهرباء باستخدام نوع جديد من مصادر الطاقة فائقة الرقة والقابلة للطي. مبني بالكامل عن طريق الطباعة ثم الطي على شكل أوريغامي، يستطيع هذا الجهاز توفير طاقة كافية لتشغيل حسّاسات وإلكترونيات صغيرة دون بطاريات، وهو يفتح طريقاً نحو أجهزة قابلة للارتداء وخدمات إنترنت الأشياء خالية من الصيانة.

لماذا تهم مصادر الطاقة القابلة للطي

يهدر المجتمع الحديث جزءاً كبيراً من الطاقة المستهلكة على شكل حرارة خفيفة من الآلات والأنابيب وأجسام البشر. يمكن للمولدات الحرارية الكهربائية تحويل فرق درجة الحرارة مباشرة إلى كهرباء، لكن أفضل النسخ عادةً ما تُصنع من بلورات صلبة ومكلفة يصعب توسيع نطاقها. توفر الطباعة طريقاً أرخص بنمط اللفّ والقِطع، لكن المواد المطبوعة غالباً ما تضحي بالأداء أو بالمرونة. سعى الباحثون لدمج التكلفة المنخفضة والقدرة على تغيير الشكل التي توفّرها الطباعة مع مستويات طاقة مرتفعة بما يكفي لجعل هذه المولدات مفيدة حقاً في البيئات اليومية.

تصميم مادة مطبوعة أفضل

في صميم الجهاز الجديد توجد طبقة رقيقة مصممة خصيصاً تعتمد على الفضة والسيلينيوم وكمية صغيرة من الكبريت. من خلال تعديل الوصفة الدقيقة—تحريك توازن العناصر قليلاً واستبدال نحو 2 بالمئة من السيلينيوم بالكبريت—ضبط الفريق كيفية تحرك الإلكترونات عبر الطبقة. أنتج هذا الضبط الدقيق مادة توصل الكهرباء جيداً بينما تظل قادرة على توليد جهد كبير من فرق درجات الحرارة. عند نحو 90 °م (360 كلفن)، وصلت الطبقة المحسّنة إلى عامل طاقة أعلى بنحو ثلثي القيمة مقارنة بطبقات الفضة–السيلينيوم السابقة للفريق، مع الحفاظ على المرونة بعد ضغطها لتشكيل طبقة كثيفة وناعمة.

مصممة للانحناء والالتواء والدوام

لأن مصادر الطاقة المستقبلية قد تحتاج إلى التفاف حول أنابيب أو التواجد على أجسام متحركة، فإن المتانة الميكانيكية أمر حاسم. طبع الباحثون عدة نسخ من طبقاتهم على بلاستيك كابتون رقيق وعرضوها لانحناءات والتواءات متكررة. حتى عند الانحناء حول أسطوانات صغيرة مئات المرات، أظهرت الطبقات المعزّزة بالكبريت تغيرات طفيفة فقط في المقاومة الكهربائية، ونجت من ألف دورة انحناء بدون تشققات مرئية. تنبع هذه المتانة من تصميم المادة ومن خطوة الضغط الحار التي تضغط الطبقة المطبوعة، محسّنة الالتصاق ومقللة النقاط الضعيفة.

من الطباعة المسطحة إلى مولّد أوريغامي

لتحويل الطبقات المحسّنة إلى مولّد يعمل، طبع الفريق شرائط متعاقبة من مادته الجديدة من النوع n ومادة تكميلية من النوع p على ورقة مرنة، أضافوا طبقات تلامس من الكربون والفضة، ثم طووا الكومة بأكملها إلى شكل أوريغامي منعرج. في هذا الشكل، تربط الأرجل الرقيقة بين جانب ساخن وجانب بارد، مما يجبر الحرارة على التدفق عبر العديد من الوصلات المتصلة كهربائياً على التوالي. مع فرق درجة حرارة قدره 80 كلفن—مشابه لما بين سطح دافئ وبيئة باردة—نتج جهاز الأوريغامي نحو 0.9 ميلي واط من الطاقة. هذا يعادل أكثر من 20 واطاً لكل متر مربع من المنطقة الفعالة وحوالى 800 ميكروواط لكل غرام، أي ما يقرب من ضعف كثافة الطاقة لمولدات الأوريغامي المطبوعة السابقة.

طاقة موثوقة على المدى الطويل

للاستخدام العملي، ثبات الأداء عبر الزمن مهم تماماً مثل القيم القصوى. مرّ الفريق بوحدة الأوريغامي المطبوعة عبر عشرات دورات التشغيل عند فروق حرارية مختلفة. سلّم الجهاز مراراً تقريباً نفس الخرج—ضمن تباين بضع نسب مئوية فقط—مظهراً أن الطبقات المطبوعة والروابط الكهربائية والبنية المطوية يمكنها تحمل الإجهاد الحراري والميكانيكي. كما أن المحاكيات الحاسوبية التي تضمنت الخواص المادية المقاسة طابقت تقريباً الفولتية والقدرات التجريبية، مما يمنح ثقة إضافية بأن النهج قابل للتوسيع والتحسين.

ماذا يعني هذا لتقنية الحياة اليومية

بعبارات بسيطة، تُظهر هذه العمل أن شرائح رقيقة وقابلة للطباعة والطي يمكن تصميمها لجمع الحرارة منخفضة الدرجة بكثافة طاقة قياسية للأجهزة المطبوعة. بدلاً من الاعتماد على بطاريات يجب استبدالها أو شحنها، يمكن لحساسات صغيرة على خطوط التصنيع أو في المباني الذكية أو حتى على جسم الإنسان أن تستمد طاقتها من فروق درجات حرارة طفيفة باستخدام مثل هذه المولدات الأوريغامي. وبينما لا يزال هناك حاجة لمزيد من التطوير لدمجها في منتجات نهائية، فإن هذا المزيج من كيمياء مواد ذكية وطباعة منخفضة التكلفة والطي الموفر للمساحة يقرب إلكترونيات المشغلة بطاقة الحرارة المهدورة خطوة كبيرة نحو الواقع.

الاستشهاد: Luo, N., Wang, Z., Verma, A.K. et al. Printed origami thermoelectric generator achieves > 20 Wm⁻² from low-grade heat via material and process design. Nat Commun 17, 1259 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68852-z

الكلمات المفتاحية: مولّد حراري كهربائي, الإلكترونيات المطبوعة, جامع طاقة أوريغامي, استرداد الحرارة المهدورة, مصدر طاقة مرن