مركبات هجينة متعددة المقاييس من الإريثريتول/الدياتوميت/جرافين لتحسين تخزين الطاقة الحرارية: تجريبي وتحسين باستخدام التعلم الآلي

تخزين الحرارة لوقت الحاجة

يعتمد نمط الحياة الحديث بشكل متزايد على مصادر طاقة مثل الشمس التي لا تتوفر دائمًا عندما نحتاج الطاقة. إحدى طرق تسوية هذه التقلبات هي تخزين الحرارة عندما تكون وفيرة وإطلاقها لاحقًا. تستكشف هذه الدراسة طريقة جديدة لبناء كتل صلبة قادرة على امتصاص كميات كبيرة من الحرارة، والحفاظ على شكلها أثناء ذوبانها داخليًا، ثم إعادة تلك الحرارة عند الطلب، مما يساعد المباني والأجهزة على استخدام الطاقة بكفاءة أكبر.

مادة حلوة بحدود مخفية

في صلب البحث يوجد الإريثريتول، بديل السكر المألوف الذي يصادف أنه جيد جدًا في تخزين الحرارة أثناء ذوبانه وتجميده. عندما يتحول من حالة صلبة إلى سائلة يمتص طاقة كبيرة، وعندما يتجمد مرة أخرى يطلق تلك الطاقة. هذا يجعله جذابًا للاستخدام في أنظمة تخزين الحرارة العاملة في درجات حرارة متوسطة، مثل تسخين المياه بالطاقة الشمسية أو التحكم في درجات الحرارة بالمباني. ومع ذلك، فإن الإريثريتول النقي ناقل حرارة ضعيف ويميل إلى التسرب عند ذوبانه، لذلك لا يمكن ببساطة صبه في خزان وتوقع أن يتصرف بشكل مناسب.

تحويل البودرة والرقائق إلى إسفنجة صلبة

للتغلب على عيوب الإريثريتول، بنى الفريق نوعًا من الإسفنجة المعدنية. استخدموا الدياتوميت، صخرًا طبيعيًا مساميًا للغاية يتكون من طحالب ميكروسكوبية قديمة. تعمل قنواته الدقيقة كإطار صلب يمكنه امتصاص الإريثريتول المذاب وإبقائه في مكانه. تحت فراغ، سحب الباحثون كحول السكر السائل إلى مسام الدياتوميت، ثم تركوا الخليط يتصلب إلى قطع صلبة. أظهرت الاختبارات أن نسبًا أعلى من الدياتوميت حسنت كثيرًا استقرار الشكل عند درجات حرارة مرتفعة، وخفَّضت فقدان الكتلة أثناء التسخين من عدة بالمئة إلى ما يزيد قليلًا عن واحد بالمئة، رغم أن هذه الزيادة في المعدن قللت أيضًا من كمية الحرارة التي يستطيع المركب تخزينها لكل غرام.

مسارات الجرافين لتسريع تدفق الحرارة

التخزين الجيد لا يكفي إذا لم تستطع الحرارة التحرك بسرعة للداخل والخارج. لذلك أضاف الفريق صفائح صغيرة من الكربون تسمى صفائح نانوية من الجرافين، والمعروفة بقدرتها الممتازة على نقل الحرارة. كشفت صور المجهر الإلكتروني الماسح عن رقائق رقيقة مسطحة موزعة جيدًا عبر خليط الدياتوميت والإريثريتول، مكونة مسارات متصلة تساعد الحرارة على الانتقال عبر المادة. مع 4 بالمئة جرافين بالوزن و40 بالمئة دياتوميت، ارتفعت الناقلية الحرارية للمركب بنحو 261 بالمئة مقارنة بالإريثريتول النقي، لتصل إلى قيم أقرب لما هو شائع في المواد المصممة هندسيًا مع الحفاظ على عدم تسريب المادة أثناء الذوبان.

ترك الخوارزميات تضبط الوصفة

نظرًا لأن المزيد من المعدن أو الجرافين لا يعني دائمًا أداءً أفضل، لجأ المؤلفون إلى النمذجة الحاسوبية لإيجاد الوصفة المثلى. بنوا نوعين من النماذج: نموذج إحصائي يناسب سطحًا منحنيًا عبر البيانات وشبكة عصبية اصطناعية بسيطة تحاكي كيف تؤثر توليفات المدخلات على المخرج. باستخدام قياسات من 27 خليطًا مختلفًا، تعلَّم كلا النموذجين كيف تغيرت الناقلية الحرارية مع كميات الجرافين والدياتوميت، وكان كلاهما قادرًا على التنبؤ بالناقلية للخليط الجديد بدقة عالية. سمح هذا للباحثين برسم نطاق عملي من التركيبات يوازن بين سرعة نقل الحرارة، وسعة التخزين الجيد، والوزن المنخفض.

لماذا يهم هذا للاستخدام اليومي للطاقة

النتيجة هي عائلة من الكتل الصلبة الخالية من التسرب التي تستطيع تخزين كميات كبيرة من الحرارة عند درجات حرارة متوسطة مع تحريك تلك الحرارة داخلها وخارجها بسرعة أكبر بكثير من المادة الأساسية وحدها. ببساطة، تظهر الدراسة كيف يمكن لمركب شبيه بالسكر، وصخر طبيعي مسامي، وشرائح كربون أن تتجمع وتضبط بمساعدة التعلم الآلي لبناء بطاريات حرارية أذكى. يمكن دمج مثل هذه المواد في سخانات شمسية، أو جدران المباني، أو خزانات حرارية لالتقاط الدفء عندما تشرق الشمس وإطلاقه لاحقًا، مما يساعد على جعل أنظمة الطاقة المستقبلية أكثر استقرارًا وكفاءة.

الاستشهاد: Nassar, A., Nassar, E., Rivilla, I. et al. Multi-scale hybrid composites of erythritol/diatomite/GNP for enhanced thermal energy storage: experimental and machine learning optimization. Sci Rep 16, 15458 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41825-4

الكلمات المفتاحية: تخزين الطاقة الحرارية, مواد تغير الطور, مركب الإريثريتول, صفائح نانوية من الجرافين, تحسين بالتعلم الآلي