تصميم خلية حرارية أيونية فائقة الرقة تستخدم حرارة قرب الجسم للإلكترونيات القابلة للارتداء ذاتية التغذية

تشغيل الأجهزة من الدفء الخفيف

معظم الحرارة التي تبعث بها أجسامنا والبيئة المحيطة تُهدَر، مع أنها تمثل مصدراً ضخماً وثابتاً للطاقة. تُظهر هذه الدراسة كيف يمكن لشريط رقيق ومرن موضوعة على الجلد أن يحوِّل بصمت فرق درجة حرارة طفيف إلى كهرباء، كافية لتشغيل أجهزة مثل الساعات الذكية دون الحاجة إلى توصيلها بشاحن.

لماذا يهم الحرارة منخفضة الدرجة

الحرارة دون نقطة غليان الماء تشكل أكثر من نصف الطاقة المفقودة في العالم، من غازات عادم المصانع إلى حرارة الجلد. تحويل هذا الدفء اللطيف إلى طاقة مفيدة يعد جذاباً خصوصاً للإلكترونيات القابلة للارتداء، التي تحتاج مصادر طاقة خفيفة وناعمة وآمنة. المواد الحرارية التقليدية صلبة ومكلفة وتعمل بكفاءة ضعيفة قرب حرارة الجسم. الأجهزة الأيونية الجديدة القائمة على الجل أظهرت وعوداً لأنها قادرة على إنتاج فولتية أكبر عند حرارة الغرفة وتشعر أقرب إلى البلاستيك اللين منها إلى الخزف الصلب.

المشكلة مع جعل الأجهزة رفيعة

حتى الآن، واجهت مجمعات استغلال الحرارة القائمة على الجل مقايضة عنيدة. لتعمل جيداً، غالباً ما تعتمد على فرق درجة حرارة عبر السمك، بحيث تكون إحدى الواجهات أدفأ من الأخرى. عندما يحاول المهندسون جعلها أكثر رقة لتجلس مريحة على الجلد، يكاد ذلك الفرق في الحرارة يختفي. تنخفض الفولتية ويصبح القدرة صغيرة جداً بحيث لا تكون نافعة، خاصة عندما يكون مصدر الحرارة أدفأ قليلاً فقط من الهواء. وفي الوقت نفسه، زيادة السُمك لاستعادة الأداء يجعلها سميكة وأقل قابلية للارتداء.

طريقة جديدة لالتقاط الحرارة في شريط رفيع

في هذا العمل، صمّم المؤلفون خلية هلامية بسمك حوالي مليمتر واحد تتجنب هذا الحل الوسط. بدلاً من الاعتماد على فرق درجة حرارة كبير عبر المادة، يستخدم الجهاز زوجاً من الأقطاب المختلفة الموضوعة جنباً إلى جنب على إحدى واجهات الجل. واحد منها قماش كربوني مسامي يتصرف كالمكثف السريع والقابل للعكس عند التسخين. والآخر مغطى ببوليمر يتصرف أشبه ببطارية، يخزن الشحنة من خلال تغيّرات كيميائية أبطأ. عند تسخين الشريط برفق، تستجيب الأيونات في الجل بشكل مختلف عند كل قطب. هذه التفاعلات المنسقة تغيّر الجهود الكهربائية وتنتج فولتية مفيدة، على الرغم من أن درجة الحرارة داخل الجل تكاد تكون متساوية.

كيف يخزن رقص الأيونات مجدداً الطاقة على مستوى مجهري

يحتوي الجل على أيونات حديد مذابة يمكنها التبدّل بين حالتي شحنة. عندما يسخن الجهاز، يغيّر جزء من هذه الأيونات حالته عند القطب الشبيه بالبطارية، بينما يتفاعل آخرون مع مجموعات تحتوي أكسجيناً على قماش الكربون. هذا التحرك والتحول للأيونات يبني عدم توازن شحني بين الجانبين، مشابه لشحن بطارية داخلية صغيرة. عندما يُوصل الجهاز بدائرة خارجية، تتدفق الإلكترونات من قطب إلى آخر، موفرة تياراً إلى الحمل المتصل. ومع تبريد الجهاز لاحقاً، تعود أيونات الحديد والبوليمر تدريجياً إلى حالاتهم الأصلية، جاهزة لدورة تسخين جديدة دون الحاجة لإعادة شحن خارجية.

الأداء في ظروف العالم الحقيقي

رغم رقتها الشديدة، يمكن لخلايا مفردة توليد نحو عُشر فولت وتقديم كثافة طاقة تصل إلى 1.6 واط لكل متر مربع عند تسخينها بفارق درجات قليلة فقط، مماثل لجلد يتعرض لهواء الغرفة. على مدى ساعتين من التشغيل تُخزّن نحو 1500 جول لكل متر مربع، وهو أعلى بكثير من التصاميم الهلامية السابقة عند درجات حرارة مماثلة. من خلال توصيل 20 من هذه الخلايا على التوالي في شريط ناعم قابل للانحناء، حصل الباحثون على نحو فولطين وكثافة طاقة 23 واط لكل متر مربع. يمكن أن يلف هذا الشريط حول الذراع ويشغّل باستمرار ساعة ذكية تجارية أو حتى عداداً رقمياً صغيراً باستخدام حرارة جسم مرتديها فقط.

ما الذي يعنيه ذلك للإكسسوارات القابلة للارتداء المستقبلية

لغير المتخصصين، الرسالة الأساسية هي أنه أصبح من الممكن الآن بناء مصادر طاقة رفيعة وناعمة تعيش على الجلد وتشحن نفسها بهدوء من دفء الجسم العادي. من خلال إعادة التفكير في كيفية تحويل الحرارة إلى كهرباء، والسماح للأيونات وكيمياء الأقطاب بأداء معظم العمل، يبيّن المؤلفون مساراً نحو ساعات وأجهزة استشعار وأجهزة قابلة للارتداء أخرى ذاتية التغذية لا تحتاج إلى بطاريات أو شواحن وفي الوقت نفسه مريحة وآمنة للارتداء لفترات طويلة.

الاستشهاد: Meng, H., Gao, W. & Chen, Y. An ultrathin ionic thermoelectric cell design utilizing near body heat for self-powered wearable electronics. Nat Commun 17, 4684 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71286-2

الكلمات المفتاحية: استخلاص طاقة قابلة للارتداء, طاقة حرارة الجسم, خلية حرارية أيونية, إلكترونيات مرنة, إلكتروليت هلامي