تأثير قش الذرة على أداء مواد التفتيت الحارقة للصخور

تحويل نفايات المزرعة إلى قدرة تفتيت للصخور أكثر أمانًا

تفتيت الصخور أمر ضروري للتعدين وحفر الأنفاق وبناء المدن، لكن المواد المتفجرة التقليدية قد تهز الأرض، وتلقي شظايا خطرة، وتثير مخاوف بيئية وسلامة كبيرة. تستكشف هذه الدراسة مساعدًا غير متوقع لهذه المشكلة: قش الذرة، وهو نفاية زراعية شائعة غالبًا ما تُحرق أو تُهمل. من خلال خلط قش الذرة المطحون ناعمًا في مزيج خاص يولد حرارة لتشقق الصخور، يبيّن الباحثون أنه يمكن تحسين تفتيت الصخور، وخفض التكاليف، وإعادة استخدام النفايات الزراعية في الوقت نفسه.

لماذا تحتاج الصخور إلى دفع ألطف

في العديد من مشاريع الهندسة، يحفر العمال ثقوبًا في الصخور ويستخدمون مواد طاقة لتكسيرها. تقوم المتفجرات التقليدية بذلك بسرعة كبيرة، مكونة موجات صدمية قد تضر الهياكل المجاورة وتشكل مخاطر سلامة. بديل لذلك هو استخدام عوامل حارقة—خليط يحترق بشدة بدلًا من الانفجار. هذه الخلطات، المصنوعة غالبًا من مسحوق الألومنيوم ونترات البوتاسيوم، تولّد درجات حرارة عالية وغازات متوسعة تدفع الشقوق في الصخر بلطف أكبر من الانفجار. التحدي هو جعل مثل هذه العوامل قوية وفعالة بما يكفي، مع تحسين السلامة والاستدامة أيضًا.

من الحقل إلى ثقب المثقاب

استبدل الباحثون جزءًا من مسحوق الألومنيوم في مزيج تفتيت صخري قياسي بقش الذرة المطحون ناعمًا، وهو وقود حيوي غني بالكربون والمركبات المتطايرة. اختبروا العديد من الوصفات بإطلاق شحنات صغيرة من قاذف وقياس مدى رمي غطاء ثقيل، ما يعكس مقدار العمل المفيد الذي يمكن للمزيج أن يقوم به. احتوت التركيبة الأفضل أداءً على 70% نترات بوتاسيوم، و21% ألومنيوم، و9% قش ذرة—مما يعني استبدال نحو ثلث وقود المعدن بمواد نباتية. عند هذا المستوى، زادت سعة العمل الخارجي للمزيج بنحو 38%، وسافر الغطاء الملقى تقريبًا 40% أبعد مقارنة بالتركيبة الأصلية، ما يدل على أن النفاية الزراعية لم تكن مجرد مادة حشو، بل جزء فعّال من النظام الطاقي.

ماذا يحدث عندما يسخن المزيج

لفهم سبب فائدة قش الذرة، سخّن الفريق عينات صغيرة بينما تتبعوا فقدان الوزن والغازات المنبعثة. وجدوا أن المزيج المعدل يتحلل على عدة مراحل. أولًا، يتبخر الماء المرتبط في القش. بعد ذلك، تتحلل مكونات القش—مثل السليولوز واللينين—ببطء، مكونة غازات وكربون شبيه بالفحم. أخيرًا، يتفاعل هذا الفحم مع نترات البوتاسيوم والألومنيوم عند درجات حرارة عالية، مولدًا اندفاعًا من الغازات مثل ثاني أكسيد الكربون، إلى جانب أكاسيد صلبة. بالمقارنة مع المزيج الأصلي، فقد فقدت النسخة المحتوية على قش الذرة كتلة أكبر وولدت غازات أكثر في هذه المراحل المتأخرة، مما يعني توفر غاز متوسع أكبر لفصل الصخر.

نيران أبرد، مناولة أكثر أمانًا، وشقوق أفضل

إضافة قش الذرة تغيّر طريقة اشتعال وحرق المزيج. لأن تحلل المواد النباتية يمتص حرارة، يحتاج العامل المعدل لطاقة كهربائية أعلى للاشتعال—فزادت طاقة إدخال الاشتعال من نحو 201 إلى 375 جول لكل غرام. هذا العتبة الأعلى يجعل المزيج أقل حساسية للمحفزات العرضية، محسنًا سلامة التخزين والمناولة. في الوقت نفسه، تنخفض درجة حرارة الاحتراق القصوى بنحو 41%، من قرابة 1000 °م إلى أقل من 600 °م، ما يعطي احتراقًا أخف إلى حد ما لكنه لا يزال فعالًا. في اختبارات تفتيت الصخور الحقيقية باستخدام كتل خرسانية، أنتج العامل المحسن بالحيوية مقتَطفات أصغر بحوالي 29% في المتوسط وأكثر تناسقًا في الحجم، وهو مؤشر واضح على أداء شق أفضل. أظهرت الحسابات أيضًا أن إنتاج الغاز النظري لديه تضاعف بأكثر من الضعف، ليصل إلى نحو 2.45 ضعفًا مقارنة بالخلطة الأصلية.

من قش النفايات إلى تفتيت الصخور أذكى

لغير المتخصص، الرسالة الأساسية بسيطة: خلط قش الذرة المطحون بمادة حارقة لتفتيت الصخور يساعدها على دفع الصخر بعيدًا بفعالية أكبر، مع جعلها أيضًا آمنة للاشتعال وأرخص في الإنتاج. المواد النباتية تعزز توليد الغاز، تحسّن كيفية تكسّر الصخر، وتزيد الطاقة المطلوبة لتحفيز التفاعل، كل ذلك دون الاعتماد فقط على مساحيق معدنية باهظة الثمن. وفي الوقت نفسه، تحول نفاية زراعية إلى مصدر مفيد للطاقة. مع مزيد من الصقل والاختبار في ظروف ميدانية قاسية، قد يوفر هذا النهج لصناعات التعدين والبناء وسيلة أكثر استدامة ومتحكّمًا بها لتفتيت الصخور—باستخدام طاقة مُحصلة من الحقول الزراعية بالإضافة إلى المختبر.

الاستشهاد: Xie, Q., Liu, L., Wang, M. et al. Effects of corn straw on the performance of rock-breaking incendiary agents. Sci Rep 16, 4968 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35665-5

الكلمات المفتاحية: طاقة الكتلة الحيوية, تفتيت الصخور, قش الذرة, عوامل حارقة, تعدين مستدام