نقش السطوح المعدَّلة بالليزر النبضي فائق القصر لتقليل انتقال الحرارة في سبائك الألومنيوم المصبوبة بالقوالب

لماذا الحفاظ على برودة السيارات الكهربائية مهم

بالنسبة لكثير من السائقين، تعاني السيارات الكهربائية الحالية من عيب واحد كبير: مدى القيادة يبدو قصيراً جداً. وعلى الرغم من أنه من المغري إلقاء اللوم على البطارية فقط، فإن قدرًا مفاجئًا من الطاقة يفقد بهدوء على شكل حرارة في أجزاء السيارة الميكانيكية. تبحث هذه الدراسة في طريقة غير مألوفة لخفض تلك الخسائر — عن طريق نحت الأسطح المعدنية الداخلية لأغطية التروس في المركبات الكهربائية باستخدام ليزر فائق السرعة بحيث يصبح من الصعب على الزيت الساخن أن ينقل حرارته إلى المعدن. النتيجة هي نمط سطحي دقيق شبه غير مرئي قد يساعد في تمديد كل كيلوواط-ساعة قليلاً.

أين تختفي الطاقة بهدوء

حتى المركبات الكهربائية ذات الكفاءة العالية تهدر جزءًا كبيرًا من الطاقة المستمدة من الشبكة. في نموذج مُدرَّس جيدًا، يصل إلى العجلات نحو ثلاثة أرباع الطاقة الواردة فقط؛ الباقي يتسرّب عبر الشحن، والإلكترونيات، وأنظمة التبريد، وعموم نظام الحركة. داخل نظام الحركة، تجلس التروس والمحامل داخل حمام من الزيت المزلِّق، محاطة بغلاف من الألومنيوم المصبوب بالقالب. أثناء تشغيل السيارة، تضرب قطرات الزيت المتناثرة جدران الغلاف وتنقل الحرارة إلى المعدن، الذي يتسرب بعدها إلى الهواء الخارجي. يحدد المؤلفون هذا المسار الحراري — من الزيت إلى الألومنيوم — على أنه خسارة يمكن تفاديها وتستحق الاستهداف، خاصة لأن أغلفة الألومنيوم أصبحت الآن معيارية في العديد من مجموعات الدفع الكهربائية.

اقتراض حيل من أوراق اللوتس

تقدم الطبيعة دليلًا للتحكم في كيفية تماس السوائل مع المواد الصلبة: تظل أوراق اللوتس نظيفة وجافة بشكل ملحوظ لأن أسطحها مغطاة نتوءات دقيقة على مقاييس حجمية متعددة. تجلس قطرات الماء فوق هذا المشهد المجهري، مع جيوب هواء محبوسة تحته، لذا تتدحرج بسهولة وتحمل الأوساخ بعيدًا. يستلهم الباحثون هذه الفكرة للسوائل الزيتية داخل محرك الدفع الكهربائي. أولاً يُنعمون خَبَشَ الصب الألومنيومي الطبيعي بواسطة ليزر نابض بمدة بيكوسانية، ثم يستخدمون ليزرًا نابضًا أقصر حتى (فيمتوثانية) لنقش «ملمس هرمي» مصمم بعناية من الأخاديد والأسنان. من خلال ضبط نسبة عرض الأخدود إلى عرض السن، يجدون نمطًا يجعل قطرات الماء والزيت تتخذ وضعًا أكثر ارتفاعًا وتنساب بسهولة أكبر عبر المعدن، مما يدل على تقليل مساحة التلامس ومدة التلامس.

تشكيل المعدن لصد الزيت الساخن

لمعرفة مدى مقاومة هذه السطحية للنقش للزيت، يقارن الفريق ثلاثة أنواع من صفائح الألومنيوم: معدن غير مُعالَج كما في الصب، وسطح مغمور بطبقة كيميائية طاردة للماء، والسطح الجديد المُنقوش بالليزر. يقيسون كيفية انتشار قطرات زيت النقل، ومدى سهولة انزلاقها، وكيف يتغير زاوية التماس الظاهرة — أي مدى «استدارة» القطرة —. على الألومنيوم غير المعالج، يبلل الزيت السطح بقوة. على النسخة المنقوشة بالليزر، تتضاعف زاوية تماس قطرة الزيت تقريبًا، وتبدأ القطرة بالاستناد جزئيًا إلى وسادة من الهواء المحبوس بين الأخاديد. يصبح السطح ليس مجرد طارد للماء بل «كاره للزيت» أيضاً، بمعنى أنه يقاوم البلل بالزيت، رغم أنه لم تُستخدم أي طبقة إضافية.

مراقبة تدفق الحرارة قطرة بقطرة

جوهر الدراسة هو تجربة مخصصة تُسقط كميات صغيرة جدًا من زيت النقل الساخن على عينات ألومنيوم مثبتة أفقيًا مع مراقبة ارتفاع درجات حرارتها بمرور الوقت. مع ثبات باقي الظروف، يسخن السطح الأملس غير المعالج أكثر شيء، والسطح المعالج كيميائياً أقل منه قليلاً، والسطح المنقوش بالليزر الأقل حرارة. عند درجة حرارة زيت مقدارها 80 °م، الطاقة الممتصة بواسطة الألومنيوم غير المعالج تبلغ نحو 464 جولاً، بينما يمتص السطح المنقوش 347 جولاً فقط. بمعايير هندسية، ينخفض معامل انتقال الحرارة الفعال بأكثر من النصف. تشير الحسابات والمشاهدات ذات السرعة العالية إلى سببين رئيسيين: الهواء المحبوس داخل بنية السطح يعمل كعازل، والقطرة تلامس المعدن على مساحة أصغر ولمدة أقصر قبل أن تنزلق بعيدًا.

ماذا يعني هذا لمركبات المستقبل الكهربائية

لغير المتخصص، الرسالة الأساسية هي أن المؤلفين وجدوا طريقة لتحويل جدار معدني عادي إلى نوع من الدرع الحراري المدمج باستخدام الضوء فقط — دون دهانات أو رغوات أو مواد كيميائية مضافة. النسيج المحفور بالليزر يجعل قطرات الزيت تتردد عن بلل المعدن بالكامل ويشجعها على التحرك بسرعة، فتبقى حرارة أقل تنتقل إلى الغلاف. في مركبة كهربائية فعلية، قد يؤدي تطبيق مثل هذه الأنماط على أغطية التروس ومكونات أخرى معرضة للزيت إلى تقليم خسائر الحرارة في نظام الحركة وتمديد مدى القيادة بشكل طفيف، وكل ذلك مع الاحتفاظ بمتانة عند درجات الحرارة العالية وتجنب طبقات عزل إضافية. هو تغيير بسيط على مقياس الميكرومتر مع فوائد محتملة ملحوظة في قياسات القيادة اليومية.

الاستشهاد: Goto, R., Yamaguchi, M. Ultrashort-pulse laser-modified surface texturing for heat transfer reduction in die-cast aluminum alloys. Sci Rep 16, 13823 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41605-0

الكلمات المفتاحية: كفاءة المركبات الكهربائية, تقليل انتقال الحرارة, نقش الأسطح بالليزر, أسطح كارهة للزيوت, أغطية الألومنيوم المصبوبة بالقوالب