تصميم حامل بطاريات للمركبات الكهربائية والمسيّرة عن بعد باستخدام كتل رغوة ألمنيوم مغلقة الخلايا صغيرة محمية بأنابيب ألمنيوم

أمان أذكى للبطاريات المستقبلية

تعتمد السيارات الكهربائية على الطرق السريعة والمركبات الآلية المستكشفة لقاع البحر جميعها على بطاريات يجب أن تظل آمنة وباردة في الوقت نفسه. تستعرض هذه الدراسة طريقة جديدة لبناء «الأرضية» التي تحمل وتحمي هذه البطاريات. بدلاً من استخدام طبقة سميكة واحدة من رغوة المعدن، يفصل الباحثون تلك الرغوة إلى العديد من الكتل الصغيرة، كل واحدة ملفوفة داخل أنبوب معدني. تم تصميم هذا الهيكل الذكي المستلهم من العظام لامتصاص الصدمات، وتبديد الحرارة بسرعة، وتسهيل التوصيلات والصيانة.

من بنية العظام إلى دعم البطارية

الوحدة الأساسية في هذا التصميم هي مكعب صغير من رغوة الألمنيوم مغلقة الخلايا، بحجم مكعب سكر تقريباً، يحيط به أنبوب ألمنيوم قصير. استُلهمت الفكرة من الطبيعة: الأشكال تذكر بعظام أصابع الإنسان والعمود الفقري وقناة الأذن، التي تجمع بين الصلابة وامتصاص الصدمات وخفة الوزن. من خلال ترتيب العديد من الكتل المتطابقة في أنماط، يمكن للمهندسين إنشاء صفائح تتحمل الأحمال، وتمتص الصدمات، وتوجه الحرارة، كل ذلك مع إمكانية التناسب داخل المساحات الضيقة داخل المركبات.

لماذا تقسيم صفيحة كبيرة إلى عدة كتل صغيرة

تعمل صفائح رغوة الألمنيوم التقليدية جيداً كمواد ممتصة للصدمات لكنها لها عيوب. فهي مكلفة التصنيع، وصعبة التشكيل والإصلاح، وتتصرف كعزل حراري يحبس الحرارة بدلاً من أن يطلقها. تعالج المقاربة القائمة على الكتل هذه المشكلات الثلاثة. بما أن الكتل صغيرة، يمكن قطعها من صفائح الرغوة القياسية بأدوات بسيطة ثم تثبيتها بضغط داخل أنابيب متاحة تجارياً. يمكن استبدال الكتل التالفة بشكل فردي. والأهم من ذلك أن الفراغات المتبقية بين الكتل تخلق ممرات مفتوحة حيث يمكن للهواء أو الماء أن يتدفق، محوِّلاً طبقة كانت عازلة إلى بنية تبريد فعالة.

دعم أقوى وتبريد أسرع

اختبر الفريق اثني عشر شكلاً من الكتل واختروا تصميماً «مشابهاً للعمود الفقري» للدراسة التفصيلية. تحت الضغط الجانبي، امتصت هذه الكتلة طاقة أكثر لكل وحدة حجم من الرغوة العارية بنفس الحجم، بفضل الأنبوب الألمنيومي الصلب حولها. عند ترتيبها في لوحة صغيرة لمركبة تعمل عن بعد تحت الماء، حملت تسع من هذه الكتل أحمال بطارية منخفضة، وامتصت طاقة الصدمات مع هامش أمان مريح، وأتاحت للمهندسين تمرير الكابلات عبر مجاري مدمجة. أظهرت الاختبارات الحرارية أن لوحة سندويتش تقليدية من الرغوة استغرقت حوالي 15 دقيقة لانتقال الحرارة عبرها، بينما نفذت اللوحة القائمة على الكتل نفس ارتفاع الحرارة في حوالي 40 ثانية فقط.

التوسيع ليشمل السيارات الكهربائية

لإظهار أن الفكرة تعمل بمقياس السيارة الكامل، صمّم الباحثون درعاً سفلية لحزمة بطارية كهربائية وزنها 450 كيلوغراماً باستخدام 400 من نفس الكتل المستوحاة من العمود الفقري محشوة بين لوحين من الألمنيوم. يمكن لمصفوفة الكتل أن تمتص طاقة تصادم أكبر بعدة مرات مما سينتج إذا سقطت البطارية من ارتفاع نصف متر، ويمكنها أن تتحمل أحمالاً تعادل تقريباً 25 ضعف وزن البطارية. في الوقت نفسه، تشير الحسابات والمحاكيات إلى أن الحرارة الموصولة عبر الكتل والمزالَة بالهواء المتحرك سريعة بما يكفي لتبريد الدرع من درجات التشغيل الصيفية نحو الظروف المحيطة خلال عشرات الدقائق عند سرعات قيادة متواضعة.

مساحة للتطوير في التبريد والمواد

تفتح الطبيعة المعيارية لهذه الكتل الباب أمام تحسينات إضافية. يستعرض المؤلفون خيارات مثل نسج أنابيب تبريد سائلة بين صفوف الكتل، إدخال مواد قابلة لتغيير الطور تخزن الحرارة الزائدة مؤقتاً، أو ترتيب فتحات في النمط لتحسين تدفق الهواء دون التضحية بسلامة التصادم. وبما أن الكتل تستخدم سبائك قياسية وتصنيعاً بسيطاً، فيمكن تكييفها لبيئات مختلفة — من الطرق الجافة إلى الصحارى الحارة إلى مياه البحر الباردة — عن طريق ضبط الأبعاد والتباعد والمواد المضافة.

ما معناه ذلك للسائقين والروبوتات اليومية

بعبارة بسيطة، يقدم هذا العمل «درعاً ومشعاً» أذكى للبطاريات في السيارات الكهربائية والروبوتات البعيدة. تعمل الكتل المعدنية المملوءة بالرغوة كممتصات صدمة صغيرة تنهار عند التصادم، بينما تغرب قشورها المعدنية والفجوات المفتوحة الحرارة بعيداً بدلاً من حبسها. بالمقارنة مع صفائح الرغوة التقليدية، فإن حوامل الكتل أسهل في البناء والإصلاح والتبريد، ومع ذلك تفي بمتطلبات السلامة الصارمة. مع مزيد من الاختبارات تحت ظروف تصادم وإجهاد حقيقية، قد تساعد هذه المقاربة المستوحاة من العظام المركبات المستقبلية على أن تصبح أخف وزناً وأكثر أماناً واعتمادية دون إضافة تعقيد إلى أنظمة بطارياتها.

الاستشهاد: Dadoura, M.H., Farahat, A.I., Al-Saady, Z.A. et al. Design of electric and remote operating vehicles battery carrier by using small aluminum closed-cell foam blocks shielded by aluminum tubes. Sci Rep 16, 9225 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39720-z

الكلمات المفتاحية: بطاريات المركبات الكهربائية, رغوة الألمنيوم, حماية من التصادم, تبريد البطارية, هياكل خفيفة الوزن