كتل ليغو حرارية كهربائية قابلة للتجميع لمولّدات طاقة قابلة لإعادة التشكيل، مُشفاء ذاتياً ومرنة

تحويل الحرارة المهملة إلى طاقة مفيدة

يوميًا تتبدد كميات هائلة من الحرارة من محركات السيارات وأنابيب المصانع وحتى أجسامنا إلى الهواء. تستطيع المولدات الحرارية الكهربائية تحويل تلك الحرارة مباشرة إلى كهرباء، لكن الأجهزة الحالية صلبة وهشة ويكاد يكون من المستحيل إصلاحها عندما تتشقق. تقدم هذه الدراسة نهجًا جديدًا: كتل طاقة صغيرة تشبه الليغو يمكنها الانحناء، والشفاء بعد التلف، وإعادة التجميع بأشكال جديدة، ما يفتح المجال لمصادر طاقة أكثر متانة وقابلة للتكيف من التقنيات الموجودة اليوم.

بناء الطاقة من كتل صغيرة

بدلاً من وحدة كبيرة وهشة، صمم الفريق «كتل ليغو حرارية كهربائية» فردية. كل كتلة وحدة مكتفية بذاتها تشمل ساقًا حرارية صلبة — الجزء الذي يحول الحرارة إلى كهرباء — محاطة بوسائد لينة موصلة مصنوعة من بوليمر خاص مملوء برقائق فضية. تعمل هذه الوسائد كأقطاب مرنة وقادرة على إعادة الاتصال ببعضها عند الضغط عليها معًا. عبر ربط العديد من هذه الكتل لتكوين مصفوفات، استطاع الباحثون إنشاء مولدات بأحجام وتشكيلات مختلفة، تمامًا كما يبنون بأحجار اللعب.

مواد لينة موصلة ومشفاء ذاتياً

لجعل الكتل مرنة ومتينة في الوقت نفسه، اعتمد الباحثون على مادة أساسية شبيهة بالسيليكون (مماثلة في المبدأ لمطاط السيليكون الشائع) مُهندَسة لتشكّل روابط قابلة للانعكاس كي تستطيع «الشفاء» بعد الخدش أو القطع. أضافوا رقائق فضية دقيقة بحيث تصبح كل وسادة لينة موصلة للكهرباء والحرارة. أظهرت الاختبارات أن هذا المركب حافظ على بنيته وأدائه عبر دورات تسخين وتبريد عديدة حتى درجات حرارة تشغيل يومية تقريبًا، وتمكن من نقل تيار كهربائي كبير بينما كان يوصّل الحرارة أفضل من البوليمر العاري. والأهم من ذلك، أنه عند خدش سطحه عادت المقاومة الكهربائية تقريبًا إلى حالتها الطبيعية خلال دقائق، وحتى بعد قطعه بالكامل ثم إعادة توصيله بالضغط اللطيف والدفء المعتدل، تعافت قدرته على حمل التيار تقريبًا بالكامل.

طباعة النوى الصلبة العاملة

قلب كل كتلة هو ساق حرارية مصنوعة من مركبات قائمة على البزموت–التيلوريوم، وهي مواد معروفة في مجال التحويل الحراري عند درجات الحرارة المنخفضة. بدل تصنيع قطع ضخمة بالماكينات، استخدم الفريق تقنية طباعة ثلاثية الأبعاد بالبثق لوضع معاجين من جزيئات حرارية كهربائية مطحونة ناعماً. بعد المعالجة الحرارية، أصبحت هذه السيقان المطبوعة أجسامًا صلبة كثيفة ومستمرة بأداء يقترب من المواد التقليدية الكتلية، بينما ساعدت مساميتها الداخلية في خفض تدفق الحرارة — ميزة لتوليد الطاقة. أكدت قياسات الموصلية الكهربائية، وناقلية الحرارة، والاستجابة الكهربائية لاختلافات الحرارة أن هذه العناصر المطبوعة الصغيرة قادرة على حصاد تدرجات حرارة صغيرة بكفاءة حول درجة حرارة الغرفة.

أجهزة تنحني وتمتد وتتفكك

بعد تجميعها في مولدات اختبار بسيطة، خضعت كتل الليغو لتجارب ميكانيكية صارمة. استطاعت الأجهزة الانحناء إلى نصف قطر ضيق نحو 3.4 مليمتر والتمدد حتى نسبة إجهاد تصل إلى 40 بالمئة مع بقاء مقاومتها الكهربائية وإخراجها الطاقي شبه ثابتين. عند خدش الأقطاب، ارتفعت المقاومة مؤقتًا ثم عادت إلى قيمة قريبة من البداية أثناء شفائها المادي. والأكثر إثارة، أنه تم قطع مولدات كاملة إلى كتل منفصلة ثم إعادة تركيبها: أعادت الأجهزة المُعاد تجميعها إنتاج نفس الجهد والقدرة تقريبًا كما قبل، مع اختلافات لا تتجاوز بضعة بالمئات في المئة. هذا يظهر أنه يمكن استعادة مولد تالف دون استبدال كل أجزائه.

إعادة بناء مولدات الطاقة كالألعاب

باستغلال التصميم المعياري، فكك الباحثون وأعادوا تجميع نفس المجموعة من الكتل إلى أشكال كلية مختلفة مرارًا. صنعوا مولدات ذات زوجين وأربعة وستة أزواج من الكتل في مصفوفات بسيطة، ثم أعادوا ترتيبها إلى تشكيلات على شكل U وV وW يمكن أن تلتف بشكل أفضل حول أسطح منحنية أو معقدة. عبر هذه التشكيلات، ما دام الاتصال الكهربائي على التوالي محفوظًا، زاد الجهد الكلي بشكل متوقع مع عدد الكتل وبقي ثابتًا عند تغيير الهندسة. هذا يعني أن المصممين يمكنهم إعادة تشكيل المولد ليتناسب مع أنبوب أو حزام قابل للارتداء أو جهاز مخصص دون التضحية بالأداء.

نحو جامعات حرارة قابلة للتخصيص والإصلاح

بعبارات بسيطة، تُظهر هذه الدراسة كيف أن تحويل وحدات التحويل الحراري إلى وحدات تشبه الليغو يحل عدة مشكلات طويلة الأمد دفعة واحدة. الكتل مرنة بدرجة كافية لتلائم الأسطح المنحنية، ومتانتها تكفي للانحناء والتمدد، قادرة على الشفاء بعد القطع والخدوش، وسهلة إعادة التشكيل إلى تخطيطات جديدة مع تغيّر الاحتياجات. رغم أن كل مولد فردي يقدم حاليًا قدرة متواضعة، فإن النهج قابل للتوسيع: يمكن إضافة مزيد من الكتل لزيادة الناتج. تشير هذه الكتل القابلة للشفاء وإعادة التشكيل إلى مستقبل يمكن فيه تجميع المولدات وإصلاحها وإعادة تشكيلها عند الطلب، بدلاً من رميها عند تشققها أو فقدانها لمنسبها الأصلي.

الاستشهاد: Kim, K., Park, K., Song, J. et al. Assemblable thermoelectric Lego blocks for reconfigurable, self-healing, and flexible power generators. npj Flex Electron 10, 30 (2026). https://doi.org/10.1038/s41528-026-00534-8

الكلمات المفتاحية: مولد كهربائي حراري, الإلكترونيات المرنة, المواد المُشفاء ذاتياً, الطباعة ثلاثية الأبعاد, حصاد الطاقة