تتعرض المفاعلات عالية الأداء، والطائرات الأسرع من الصوت، والمركبات الفضائية جميعها لحرارة شديدة، تفوق بكثير حرارة الحمم المنصهرة عند عودتها إلى الغلاف الجوي للأرض. يسعى الباحثون منذ عقود إلى ابتكار "عازل الأحلام": عازل يتحمل درجات حرارة عالية جدًا، ويمنع جميع أنواع انتقال الحرارة، ويكون خفيف الوزن، وقابلًا للاستخدام الصناعي. ووفقًا للتقارير، ابتكر فريق بحثي من جامعة تسينغهوا في الصين عازلًا جديدًا من أنابيب الكربون النانوية يتحمل درجات حرارة عالية تصل إلى 4,712 درجة مئوية (2,600 درجة فهرنهايت)، مع منع الإشعاع، ونقل الغاز، والتوصيل الحراري.

فوق 2,732 درجة فهرنهايت (1,500 درجة مئوية)، تبدأ مواد العزل التقليدية في التدهور أو نقل الحرارة الزائدةمع تطبيقات في التصنيع المتقدم والطاقة والفضاء، فإن هذا الاكتشاف لديه القدرة على تحويل كيفية تعامل الصناعات مع الظروف شديدة الحرارة.

ما الذي يجعل عزل أنابيب الكربون النانوية مختلفًا عن المواد الموجودة؟

يتحمّل عزل أنابيب الكربون النانوية الجديد فائق المحاذاة درجات حرارة عالية، ويُستخدم في صنع هذا العزل المُبتكر. وكما هو الحال في نتف خيوط الحرير، يُنمّي الباحثون صفوفًا عمودية من الأنابيب النانوية قبل "سحبها" إلى صفائح رقيقة. تنبع خصائص هذه المادة المميزة من طريقة لفّ هذه الصفائح أو تكديسها لتكوين هياكل مسامية متعددة الطبقات.

نظرًا لأن عزل أنابيب الكربون النانوية الجديدة يتحمل الحرارة الشديدة، فإن الخصائص الأساسية التالية هي التي تميز هذه المادة:

موصلية حرارية منخفضة للغاية:

• في درجة حرارة الغرفة، 0.004 واط/م ك.
• عند 2,600 درجة مئوية، 0.03 واط/متر كلفن أقل بكثير من المعتاد عوازل، مثل لباد الجرافيت.

كثافة خفيفة الوزن:

• يتراوح من 5 إلى 100 كجم/م³مما يجعل من السهل دمجها في صناعة الطائرات وغيرها من القطاعات حيث يكون الوزن ضروريًا.

مقاوم للحرارة:

• قادر على تتحمل مئات دورات التسخين/التبريد ودرجات حرارة مرتفعة للغاية.

حجب الإشعاع:

• يتم امتصاص الضوء تحت الأحمر وتوزيعه بواسطة الأنابيب النانوية، التي تحبس الفوتونات الحرارية.

التدرجية:

• من الممكن إنشاء صفائح يصل عرضها إلى 550 ملم وربما يصل طولها إلى مئات الأمتار.

تتمتع المادة الجديدة بإمكانية إحداث ثورة بسبب استقرارها وأدائها وإمكانية توسيع نطاقها.

اقرأ أيضا: دراسة جديدة تكشف عن أفضل الأوقات لاستخدام الكهرباء لخفض انبعاثات الكربون

كيف يمنع انتقال الحرارة بهذه الفعالية؟

تشريح الطرق الثلاث الأساسية لانتقال الحرارة - الإشعاع، الحمل الحراري (توصيل الغاز)، و التوصيل-يساعد في تفسير الاكتشاف.

التوصيل عبر المواد الصلبة:

• يجب أن تمر الحرارة عبر عدة طبقات بسبب ترتيب الأنابيب النانوية وليس على طول الأنابيب.
• اهتزازات التسخين، أو الفونونات، يواجهون صعوبة في المرور عبر كل أنبوب لأن قطرهم يبلغ 10 إلى 20 نانومترًا فقط ويفصل بينهم مسافة.

توصيل الغاز:

• لا تستطيع جزيئات الغاز التحرك بسهولة عبر الثقوب الصغيرة.
• بدلاً من ذلك، فإنهم يفقدون الطاقة ويرتدون داخل ( تأثير كنودسن)، مما يقلل التوصيل.

إشعاع:

• عند درجات الحرارة المرتفعة، تسود الإشعاعات لأن الفوتونات تحمل الحرارة.
• بسبب بنيتها الإلكترونية (تفردات فان هوف), تمتلك الأنابيب النانوية قدرة كبيرة على امتصاص وتشتت الأشعة تحت الحمراء.
• تؤدي الطبقات المكدسة بزوايا مختلفة إلى احتجاز الإشعاع، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في انتقال الحرارة.

ويُقال إن هذا العزل أكثر فعالية بشكل كبير من المواد التقليدية لأنه يوقف الحرارة في جميع الاتجاهات.

اقرأ أيضا: علماء يطورون تقنية مستدامة لالتقاط الكربون باستخدام نفايات الروبيان

أين يمكن تطبيق هذه المادة في العالم الحقيقي؟

يمكن للعديد من الصناعات التي تعمل في ظروف شديدة الحرارة أو البرودة أن تستفيد من هذه الفكرة.

المجال الجوي:

• حماية المركبة الفضائية من العودة إلى الغلاف الجوي.
• حماية للطائرات العاملة بسرعات تفوق سرعة الصوت.
• الحواجز الحرارية في المحركات النفاثة.

الطاقة:

• المفاعلات التي تستخدم الاندماج.
• محطات الطاقة النووية.
• توربينات الغاز مع درجات حرارة عالية.

الصناعات التحويلية:

• المصاهر والأفران و أفران.
• عزل خفيف الوزن للإجراءات الصناعية التي تنطوي على درجات حرارة عالية.

الالكترونيات:

• يعد التحكم الحراري أمرًا بالغ الأهمية في المواقف التي تكون فيها مقاومة الحرارة والمساحة ضرورية.
• إن قدرة المادة على الالتفاف حول الأسطح غير المستوية ومرونتها تعزز من استخدامها العملي.

اقرأ أيضا: تقنية جديدة للأقمار الصناعية فائقة الطيف تُعزز تتبع تغير المناخ العالمي

كيف يمكن مقارنته مع العوازل ذات درجة الحرارة العالية الحالية؟

تتمتع مادة العزل الجديدة المصنوعة من أنابيب الكربون النانوية بقدرة عالية على مقاومة الحرارة الشديدة، على النقيض من مادة الجرافيت، وهي مادة تستخدم بكثرة، كما هو موضح في الجدول التالي:

يوضح هذا المقارنة كيف يمكن لمادة الأنابيب النانوية أن تتفوق على عزل التيار في مختلف القطاعات.

اقرأ أيضا: تسخير الشمس: بناء مستقبل مستدام للطاقة الشمسية

ما هي التحديات التي لا تزال بحاجة إلى حل؟

وعلى الرغم من الإمكانات الهائلة، لا بد من التغلب على العديد من العقبات قبل استخدام العزل على نطاق واسع:

• مقاومة الأكسدة: عند درجات الحرارة العالية، يمكن أن تتحلل أنابيب الكربون النانوية في الأكسجين. ولضمان صمود المادة في البيئات الخارجية، يعتزم الباحثون استخدام طبقات واقية.
• التكلفة وقابلية التوسع: ورغم إمكانية تصنيع صفائح ضخمة، فإن الجودة الثابتة وخفض تكاليف الإنتاج ضروريان لتبني هذه التقنية على نطاق واسع في الصناعة.
• المتانة تحت الضغط: يجب أن تكون المواد المستخدمة في قطاعي الطاقة والفضاء قادرة على تحمل الإجهاد الميكانيكي، والتعرض للمواد الكيميائية، ودرجات الحرارة المرتفعة. وسيتطلب ذلك أبحاثًا طويلة الأمد.

إن عزل الأنابيب النانوية لديه القدرة على أن يصبح أحد أهم المواد في الجيل القادم إذا تم حل هذه المشكلات.

اقرأ أيضا: المدن الأوروبية تستغل الذكاء الاصطناعي لتعزيز كفاءة الطاقة وخفض الاستهلاك، وفقًا للمجلس الدولي للمبادرات البيئية المحلية

الأسئلة الشائعة (FAQs)

س1: ما مدى سخونة 2,600 درجة مئوية (4,712 درجة فهرنهايت) بالنسبة لدرجات الحرارة العادية؟

إنها أعلى من سطح الزهرة (٤٧٥ درجة مئوية) وأكثر سخونة من الحمم المنصهرة (١٠٠٠-١٢٠٠ درجة مئوية). وهي قريبة من درجات حرارة انصهار العديد من المعادن، بما في ذلك النيكل (١٤٥٥ درجة مئوية) والحديد (١٥٣٨ درجة مئوية).

س2: هل من الممكن استخدام هذا العزل في السلع الاستهلاكية؟

ليس في الوقت الحالي. حاليًا، تُستخدم هذه المادة في مجال الطيران والفضاء وفي البيئات الصناعية القاسية. ومع ذلك، قد يؤثر ذلك في نهاية المطاف على الإلكترونيات والأجهزة الاستهلاكية المتخصصة مع انخفاض أسعار الإنتاج.

س3: ما الذي يجعل الأنابيب النانوية الكربونية جيدة جدًا في منع انتقال الحرارة؟

بفضل بنيتها النانوية، تمتص هذه المواد الإشعاع بفعالية، بينما تُقيّد مسامها الدقيقة توصيل الغازات، ويُقلّل تصميمها الطبقي من توصيل المواد الصلبة. فهي تُغطي جميع جوانب نقل الحرارة تقريبًا.

اقرأ أيضا: الألواح الشمسية الفضائية قد توفر 80% من الطاقة المتجددة في أوروبا بحلول عام 2050، وفقًا لدراسة