Clear Sky Science
הסברים מבוססי ראיות, עם מעט ז'רגון

Clear Sky Science · he

מרוכבים היברידיים רב-קנוּתיים של אריתריטול/דיאטומיט/גרפן לשיפור אגירת אנרגיה תרמית: אופטימיזציה ניסויית ולמידת מכונה

· חזרה לאינדקס

לאגור חום לזמנים בהם נזדקק לו

החיים המודרניים תלויים יותר ויותר במקורות אנרגיה כמו השמש שאינם מספקים כוח תמיד בזמני הביקוש. דרך אחת להחליק את התנודות הללו היא לאגור חום כשהוא בשפע ולשחררו מאוחר יותר. המחקר הזה בוחן שיטה חדשה לבניית גושים מוצקים שיכולים לספוג כמויות גדולות של חום, לשמור על צורתם כשהם נמסים בפנים, ואז להחזיר את החום לפי דרישה — מה שעוזר לבניינים ומכשירים להשתמש באנרגיה בצורה יעילה יותר.

Figure 1. כיצד מוצק מבוסס סוכר, סלע נקבובי ופלטות פחמן משתלבים כדי לאגור ולשחרר חום לבניינים ומכשירים.
Figure 1. כיצד מוצק מבוסס סוכר, סלע נקבובי ופלטות פחמן משתלבים כדי לאגור ולשחרר חום לבניינים ומכשירים.

חומר מתוק עם מגבלות נסתרות

בלב המחקר עומד אריתריטול, תחליף סוכר מוכר שלצד מאפייניו הקולינריים מתאים מאוד לאגירת חום במעבר בין מוצק לנוזל. כאשר הוא משנה את מצבו ממוצק לנוזל הוא סופג כמות גדולה של אנרגיה, וכשהוא קופא שוב הוא משחרר אנרגיה זו. הדבר הופך אותו לאטרקטיבי לשימוש במערכות אגירת חום בטמפרטורות בינוניות, כגון חימום מים סולארי או בקרה תרמית בבניינים. עם זאת, אריתריטול טהור מוליך חום בצורה גרועה ונוטה לדלוף כשהוא נמס, ולכן לא ניתן פשוט לשפכו במיכל ולצפות להתנהגות יציבה.

הפיכת אבקה ופלטות לספוג מוצק

כדי להצר את חסרונות האריתריטול יצרו החוקרים מעין ספוג מינרלי. הם השתמשו בדיאטומיט, סלע טבעי בעל נקבוביות גבוהה שנוצר מקליפות אצות מיקרוסקופיות קדומות. הערוצים הזעירים שלו פועלים כשלד נוקשה שיכול לספוג אריתריטול מותך ולשמור אותו במקום. בתנאי ואקום המשיכו החוקרים את אלכוהול הסוכר הנוזלי אל תוך הנקבוביות של הדיאטומיט, ולאחר מכן נתנו לתערובת להתתקשות לגושים מוצקים. ניסויים הראו שרמות דיאטומיט גבוהות שיפרו במידה רבה את היציבות הצורתית בטמפרטורות גבוהות, הקטינו את אובדן המסה בחימום ממספר אחוזים לקרוב לאחד אחוז בלבד, אם כי התוספת המינרלית הזו גם הפחיתה את כמות החום שניתן לאגור לגרם של המרכיב.

נתיבי גרפן לזרימת חום מהירה יותר

אגירה טובה לא מספיקה אם החום לא יכול לנוע פנימה והחוצה במהירות. לשם כך הוסיפו הצוות פלטות פחמן זעירות הקרויות לוחיות גרפן, הידועות ביכולתה המעולה להעביר חום. תמונות ממיקרוסקופ אלקטרוני סורק חשפו פתיתים דקים בצורת לוחיות שהתפזרו היטב בתוך תערובת הדיאטומיט והאריתריטול, ויצרו נתיבים רציפים המסייעים לזרימת החום דרך החומר. עם רק 4 אחוז גרפן לפי משקל ו-40 אחוז דיאטומיט, ההולכה התרמית של המרכיב עלתה בכ־261 אחוז בהשוואה לאריתריטול הטהור, והגיעה לערכים המקובלים בחומרים מהונדסים תוך שמירה על היעדר דליפה במהלך ההיתוך.

Figure 2. מבט פנימי על גרגירי מינרל נקבוביים הממולאים בחומר מותך ופלטות פחמן שמאיצות את זרימת החום מבלי דליפות.
Figure 2. מבט פנימי על גרגירי מינרל נקבוביים הממולאים בחומר מותך ופלטות פחמן שמאיצות את זרימת החום מבלי דליפות.

לתת לאלגוריתמים לחדד את המתכון

מכיוון שיותר מינרל ויותר גרפן אינם בהכרח משפרים ביצועים בכל ההיבטים, פנו המחברים למודלים ממוחשבים כדי למצוא את המתכון האופטימלי. הם בנו שני סוגי מודלים: אחד סטטיסטי המתאים משטח מעוקל דרך הנתונים ואחד רשת עצבית מלאכותית פשוטה שמחקה כיצד שילובים של קלטים משפיעים על פלט. באמצעות מדידות מ-27 תערובות שונות למדו שניהם כיצד כמויות הגרפן והדיאטומיט משנה את זרימת החום, ושניהם יכלו לחזות הולכה תרמית לתערובות חדשות בדיוק גבוה. כך יכלו החוקרים למפות טווחים מעשיים של הרכבות שמאזנות העברה מהירה של חום, קיבולת אגירה טובה ומשקל נמוך.

מדוע זה חשוב לשימוש היומיומי באנרגיה

התוצאה היא משפחה של גושים מוצקים וללא דליפות שיכולים לאגור כמויות גדולות של חום בטמפרטורות בינוניות ובו בזמן להעביר את החום פנימה והחוצה הרבה יותר מהר מהחומר הבסיסי בלבד. בפשטות, המחקר מראה כיצד תרכובת דמוית סוכר, סלע טבעי נקבובי ופתיתי פחמן יכולים להיות משולבים ומכוונים בעזרת למידת מכונה כדי לבנות "סוללות תרמיות" חכמות יותר. חומרים אלה יכולים להשתלב במחממי שמש, בקירות בניינים או במיכלי חום כדי ללכוד חום כשהשמש זורחת ולשחררו מאוחר יותר, ובכך לסייע להפוך מערכות אנרגיה עתידיות ליציבות ויעילות יותר.

ציטוט: 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

מילות מפתח: אגירת אנרגיה תרמית, חומרי מעבר פאזה, מרכיב אריתריטול, לוחיות גרפן ננומטריות, אופטימיזציית למידת מכונה