بقيت البنية التحتية  للتمديدات الكهربائية دون تغيير بدرجة كبيرة منذ الحرب العالمية الثانية ، لكن مع التقدم  الهائل في التكنولوجيا – وهنا نقصد المواد على وجه التحديد –  فتح الباب على مصراعيه لأمور لم تكن في الماضي ممكنة بعد.  فهذه التطورات مهدت الطريق لإعادة تصميم البنية التحتية الكهربائية لدينا على مدى المائة عام القادمة وما بعدها أيضًا.

تعد عملية إعادة التصميم أمرًا بالغ الأهمية والخطورة  في ذات الوقت لأننا في كل يوم  نضع المزيد من الضغوط على الشبكة الكهربائية، كما أننا دائما نطالب بمعالجات كمبيوتر سريعة، بالإضافة إلى اندفاعنا نحو وسائل النقل الكهربائي. إن أشباه الموصلات المتطورة والمصغرة  – في الوقت نفسه – والتي تقوم بتشغيل هذه الأجهزة والبنية التحتية  تولد حرارة كبيرة يمكن أن تتسبب في عدم عملها.  إضافة إلى ذلك فإن هذه الأجهزة تحتاج  أيضًا إلى عزلها كهربائيًا وحمايتها من العناصر.

مع استمرار تقدم الأجهزة والبنية التحتية ، يتم تطوير أنواع جديدة من العزل الكهربائي في جميع أنحاء العالم لتلبية متطلبات الأداء والمصداقية المتزايدة بشكل مستمر. يقوم الآن باحثون من جامعة تكساس في أوستن بالتعاون مع مختبر أبحاث الجيش الأمريكي بتحليل مواد جديدة للعزل الكهربائي، التي يمكن أن تزيل الحرارة بشكل أكثر فعالية مقارنة بالعزل المستخدم حاليًا.

قال فايبهاف بهادور، المؤلف المشارك لورقة بحثية جديدة نُشرت في Proceedings of the IEEE وأستاذ مشارك في أنظمة السوائل الحرارية قسم الهندسة الميكانيكية”. إن الشبكة الكهربائية تعمل على سد حاجات ملايين المنازل والبيوت كما تدير الاف الأمبيرات من التيار الكهربائي”. وأضاف  “نحن نتحدث عن  عملية جوهرية لتوليد الحرارة، والتي يتزامن معها جهد كهربائي مرتفع بالاضافة إلى قدرة عالية على تحمل درجات الحرارة القصوى، والتي ستزداد سوءًا فقط في ظل مناخ متغير يتميز بعدم الاستقرار”.

قال بهادور: “المشكلة الرئيسية التي حددناها هي أن تحسين التوصيل الحراري وحده ليس كافيًا”. وعقب على ذلك بقوله: “أنت بحاجة إلى فهم واسع أكثر شمولية للمواد والمواد متعددة الوظائف لتلبية المتطلبات الكهربائية والحرارية والميكانيكية”. 

 إن التركيز على خاصية واحدة فقط ، مثل التوصيل الحراري ، لا يكفي للحصول على الأداء اللازم والعمر الافتراضي المقبول من الأجهزة الإلكترونية. في الحقيقة أنت تحتاج إلى التأكد من أن المواد تتمتع بمقاومة كهربائية كبيرة، وتحمل لدرجات الحرارة القصوى ، والقدرة على التعامل مع الإجهاد الميكانيكي ومقاومة الرطوبة .  إن التحدي الكبير لمطوري المواد  يكمن في تحسين كل هذه الخصائص في وقت واحد ، بدلاً من النهج الحالي المتبع وهو تطوير كل ميزة على حدة . 

قال روبرت هيبنر –  أستاذ الأبحاث في قسم ووكر ، ومدير مركز الميكانيكا الكهروميكانيكية في جامعة يوتا ، والمؤلف المشارك للورقة -: “لم يتم إجراء تقييم شامل لهذه المواد النانوية الجديدة من قبل “.  وأضاف:”هذه المقالة هي بمثابة خارطة طريق لتطوير المواد المستقبلية فنحن هنا نقدم مراجعة نقدية ووجهات نظر لمجتمع ومنظمة المواد من منظور ورؤية هندسية ذات موضوعية”. 

هذه المواد النانوية الجديدة مصنوعة من المبلمرات بداخلها جزيئات نانوية  وتسعى هذه المواد للوصول إلى مستويات أداء حراري مماثل للمعادن، مع الاحتفاظ بمزايا البوليمرات، مثل: خفة الوزن، وعدم قابليتها للتآكل، وسهولة تصنيعها. بعض هذه المواد الواعدة استطاعت أن تتجاوز الموصلية الحرارية للمبلمرات التقليدية بمائة مرة تقريبًا.

إذا تمكنا من تطوير العزل الكهربائي بطريقة شاملة ، كما يقترح الباحثون ، فيمكننا رؤية تحسينات  كثيرة في  جوانب حياتنا المختلفة. فمثلاً شبكة كهرباء قائمة على مصادر الطاقة المتجددة، وتوفر معالجات سريعة لحاسب آلي محمول من دون أن ترتفع درجة حرارته، وتبريد المحركات باستخدام الهواء بدلاً من موارد المياه الشحيحة. حتى أن هذه الطريقة عملية في حالة الطيران الكهربائي  أيضًا والذي يقوم على استخدام الكابلات التي يمكنها تحمل الحرارة الشديدة الناتجة أثناء الإقلاع. 

وختامًا فنظرًا للاهتمام العالمي بهذه المواد بسبب تطبيقاتها الواسعة، يتحتم علينا أن ننشر تقدمها المستقبلي بسرعة، فيقترح بهادور أن النشر العملي لتكنولوجيا المواد المتقدمة متعددة الوظائف يمكن أن يحدث في وقت مبكر من عام 2030.

المصدر: https://techxplore.com

ترجمة: عائشة جلال الأصفر

تويتر: @Aisha36550897 

مراجعة وتدقيق: كريم طارق شحات مصطفى