فريق بحث جامعة Tsinghua يستخدم تقنية التسخين الفلاش جوري لتحويل شفرات توربينات الرياح المتقاعدة إلى كربيد السيليكون وغرافين

طور فريق البحث في جامعة Tsinghua طريقة "إعادة التدوير المتقدمة" التي تستخدم تقنية التسخين الفلاش جوري لتحويل شفرات توربينات الرياح المتقاعدة إلى كربيد السيليكون وغرافين. هذان المادتان لهما قيمة عالية في صناعة التصنيع. تم تصميم شفرات توربينات الرياح الكبيرة لتحمل البيئات القاسية، حيث يمكنها أن تقطع في الرياح الباردة، وتتحمل التعرض المستمر للأشعة فوق البنفسجية، وتقاوم ضربات البرق، مع عمر افتراضي يتجاوز عشرين عامًا. ومع ذلك، عندما تنتهي فترة خدمة هذه الشفرات، تصبح متانتها الشديدة مشكلة بيئية. معظم الشفرات المتقاعدة تُدفن في مكبات النفايات.

هذا الفريق الموجود في الصين الآن يحل هذه المشكلة المستمرة. وجد هؤلاء المهندسون الكيميائيون والبيئيون طريقة لتحويل نفايات المواد المركبة القوية إلى مواد تصنيع عالية القيمة باستخدام حرارة شديدة لفترة قصيرة. أعد الباحثون عينات من راتنجات معززة بكربيد السيليكون وغرافين تم استردادها من شفرات توربينات الرياح المتقاعدة، وأجروا اختبارات على خصائص الشد.

معجزة حرارية في ثوانٍ

أزمة التخلص والتحديات البيئية

تسبب موجة طاقة الرياح في أوائل العقد الأول من القرن 21 أزمة ملحة في التخلص، حيث وصلت شفرات توربينات الرياح من الجيل الأول التي استخدمت لمدة 20 عامًا إلى نهاية عمرها الافتراضي. في الصين وأوروبا والولايات المتحدة، تصل نفايات الشفرات المتقاعدة إلى آلاف الأطنان سنويًا. الحظر الشامل على دفن النفايات المركبة في دول مثل ألمانيا والنمسا يجعل من الضروري إيجاد طرق بديلة قابلة للتوسع لمعالجة هذه النفايات في صناعة الطاقة المتجددة. قال المؤلف الرئيسي في جامعة Tsinghua، والمهندس الكيميائي والبيئي، دينغ بينغ: "مع تقاعد توربينات الرياح القديمة، خاصة في الصين التي تشهد توسعًا سريعًا في طاقة الرياح، ينتهي المطاف بالعديد من النفايات في المدافن، مما يعد إهدارًا للموارد."

المفتاح هو المواد الخام الموجودة بالفعل داخل كل شفرة. تتكون شفرات توربينات الرياح من ألياف زجاجية غنية بثاني أكسيد السيليكون وراتنجات قائمة على الكربون. في هذه الدراسة الجديدة، استخدم الباحثون تقنية التسخين الفلاش جوري لتسخين مواد الشفرات التالفة瞬ًا إلى حوالي 2000°C (3632°F). هذه الحرارة الشديدة تحفز تفاعلًا سريعًا، مما يؤدي إلى دمج الكربون مع ثاني أكسيد السيليكون لتشكيل كربيد السيليكون، وهو مركب شديد الصلابة ومقاوم للحرارة. في الوقت نفسه، يعاد تنظيم ذرات الكربون المتبقية لتصبح غرافين، وهو أحد أقوى وأكثر المواد النانوية توصيلًا للكهرباء المعروفة علميًا.

يمكن أن يؤدي دمج كميات صغيرة من مزيج كربيد السيليكون والغرافين المسترد مباشرة في راتنج جديد إلى تحسين الأداء بشكل كبير. يمكن أن يؤدي إضافة 0.3% من المعززات إلى زيادة قوة الراتنج بنسبة 27% وزيادة مقاومة الانحناء بنسبة 9%. بينما يمكن أن يؤدي إضافة تركيز 0.1% فقط إلى زيادة معدل انتشار الحرارة بنسبة 41%، مما يجعل فقدان الحرارة أكثر كفاءة. يمكن استخدام هذه المواد المحسنة في بناء شفرات توربينات الرياح من الجيل التالي، مما يحقق نظامًا مغلقًا حيث تساعد الشفرات القديمة في بناء شفرات جديدة أقوى.

الفوائد الاقتصادية وتوسيع التقنية

إعادة التدوير المتقدمة بهدف الربح

تعتبر الطرق الحالية لإعادة التدوير، مثل التحلل الحراري والذوبان بالمذيبات، مكلفة ولها بصمة كربونية كبيرة. قد تغير تقنية التسخين الفلاش جوري نموذج الاقتصاد. قال المهندس البيئي والمشرف الرئيسي في جامعة Tsinghua، باي هاو: "باستخدام طرق إعادة التدوير التقليدية، تحتاج إلى إنفاق المال للتخلص من النفايات. ومع ذلك، يمكن أن تحقق طريقتنا ربحًا يبلغ حوالي US$80 (حوالي HK$624) لكل طن، لأن كربيد السيليكون والغرافين المستردين ثمينان للغاية." وأضاف: "بالمقارنة، تبلغ تكلفة التحلل الحراري حوالي US$460 (حوالي HK$3,588) لكل طن، بينما تبلغ تكلفة الذوبان الكيميائي حوالي US$1,800 (حوالي HK$14,040) لكل طن." يعمل الفريق حاليًا على توسيع هذه العملية لتسهيل تطبيقها الصناعي.

يمكن أن يساعد توسيع هذه التقنية أيضًا في إعادة تدوير المواد المركبة من صناعات الطيران والفضاء والسيارات والإلكترونيات.