الموجات فوق الصوتية تطوّر مواد تغيّر الطور لتخزين الطاقة

مع تزايد الطلب العالمي على الإدارة الفعّالة للطاقة، تحظى مواد تغيّر الطور (PCMs) باهتمام متزايد بوصفها حلاً قويًا لتخزين الطاقة الحرارية. تستطيع هذه المواد امتصاص كميات كبيرة من الحرارة وإطلاقها أثناء الانصهار والتصلّب، مما يجعلها قيّمة لتطبيقات تتراوح من التحكم في المناخ داخل المباني إلى تبريد البطاريات وأنظمة الطاقة المتجددة.
ومع ذلك، وعلى الرغم من خصائصها الواعدة، تواجه العديد من مواد تغيّر الطور تحديات عملية تحدّ من استخدامها على نطاق واسع. ويتجه الباحثون والمهندسون بصورة متزايدة إلى المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية القدرة – المعروفة أيضًا باسم sonication – للتغلب على هذه العقبات والاستفادة من الإمكانات الكاملة لمواد تغيّر الطور.
تتيح المعالجة بالموجات فوق الصوتية إنتاج مواد تغيّر الطور المعزّزة نانويًا والمغلّفة نانويًا، وتحسّن استقرار المشتّتات، وتساعد على تحسين الأداء الحراري. ونتيجة لذلك، تبرز المعالجة بالموجات فوق الصوتية بوصفها إحدى أكثر التقنيات فعالية لإنتاج أنظمة متقدمة لمواد تغيّر الطور.

مجانس بالموجات فوق الصوتية UIP2000hdT لمعالجة مواد تغيّر الطور

أهمية مواد تغيّر الطور لتخزين الطاقة

تخزّن مواد تغيّر الطور الطاقة على هيئة حرارة كامنة، تُمتص أثناء الانصهار وتُطلق عندما تتصلّب المادة. وبخلاف المواد التقليدية التي تخزّن الحرارة من خلال تغيّر درجة الحرارة وحده، تستطيع مواد تغيّر الطور تخزين كميات كبيرة من الطاقة وإطلاقها عند درجات حرارة شبه ثابتة.
تجعل هذه الخاصية هذه المواد جذابة للغاية لأنظمة الإدارة الحرارية. ففي المباني، تستطيع مواد تغيّر الطور تنظيم درجات الحرارة الداخلية من خلال امتصاص الحرارة الزائدة أثناء النهار وإطلاقها عندما تنخفض درجات الحرارة. وفي أنظمة الطاقة المتجددة، تساعد على تخزين الطاقة الحرارية من المجمّعات الشمسية. كما يتزايد استخدامها في تبريد الإلكترونيات، والإدارة الحرارية للبطاريات، والنقل المضبوط الحرارة.
تُعدّ هيدرات الأملاح والمواد العضوية من أكثر مواد تغيّر الطور خضوعًا للدراسة. فعلى سبيل المثال، حظي ملح غلاوبر (كبريتات الصوديوم عشاري الهيدرات) باهتمام كبير بفضل إنثالبي الانصهار المرتفع لديه ودرجة حرارة انتقال الطور المناسبة. وتتيح له هذه الخصائص تخزين كميات كبيرة من الطاقة الحرارية بكفاءة.
ومع ذلك، تُظهر العديد من أنظمة مواد تغيّر الطور مشكلات في الاستقرار يجب معالجتها قبل اعتمادها على نطاق واسع.

التحديات المستمرة لمواد تغيّر الطور التقليدية

رغم قدرة مواد تغيّر الطور على تخزين كميات كبيرة من الطاقة، فإن أداءها العملي يعتمد غالبًا على مدى احتفاظ المادة باستقرارها أثناء دورات التسخين والتبريد المتكررة. تعاني العديد من مواد تغيّر الطور من انفصال الأطوار، وفرط التبريد، وضعف استقرار المشتّتات، وهي عوامل يمكن أن تؤدي جميعها إلى تدهور الأداء الحراري بمرور الوقت.
تكون هذه المشكلات واضحة على نحو خاص في أنظمة هيدرات الأملاح، مثل ملح غلاوبر. فقد يحدث انفصال الأطوار عندما تنفصل المكوّنات المختلفة أثناء الانصهار، بينما قد يمنع فرط التبريد المادة من التبلور عند درجة الحرارة المتوقعة. ويؤخّر ذلك إطلاق الحرارة ويقلّل كفاءة النظام.
ومن المشكلات الشائعة الأخرى تكوّن تجمعات عند إدخال إضافات أو جسيمات نانوية في تركيبات مواد تغيّر الطور. وغالبًا ما تعجز طرق الخلط التقليدية عن تشتيت الجسيمات بانتظام، مما ينتج عنه مشتّتات غير مستقرة وسلوك حراري غير متسق.
لمعالجة هذه القيود، يعتمد الباحثون بصورة متزايدة على المعالجة بالموجات فوق الصوتية، التي توفّر طريقة عالية الفعالية لتشتيت المواد على المقياسين الميكرومتري والنانوي.
 

كيف تحسّن المعالجة بالموجات فوق الصوتية تركيبات مواد تغيّر الطور

تعتمد المعالجة بالموجات فوق الصوتية على ظاهرة التجويف الصوتي، التي تحدث عندما تنتشر موجات فوق صوتية عالية الشدة عبر سائل. تولّد هذه الموجات فقاعات مجهرية تنهار سريعًا، فتنتج مناطق موضعية ذات درجات حرارة وضغوط وقوى قص شديدة للغاية.
تخلق هذه العملية ظروف خلط مكثفة لا يمكن تحقيقها بالتقليب الميكانيكي التقليدي. ونتيجة لذلك، تستطيع المعالجة بالموجات فوق الصوتية تفكيك تكتلات الجسيمات، وتقليل حجم الجسيمات، وتوزيع الإضافات بالتساوي في جميع أنحاء مصفوفة مادة تغيّر الطور.
تُظهر الأبحاث التجريبية على مشتّتات مواد تغيّر الطور أن الخلط بالموجات فوق الصوتية ينتج تجمعات أصغر بكثير ومخاليط أكثر تجانسًا من التقليب المغناطيسي، مما يحسّن الاستقرار وقابلية إعادة إنتاج النتائج.
تؤثر هذه التحسينات مباشرة في الأداء الحراري، لأن المشتّت المتجانس يضمن حدوث تغيّر الطور بصورة متسقة في جميع أنحاء المادة.

لماذا تحسّن المعالجة بالموجات فوق الصوتية استقرار مواد تغيّر الطور

تُظهر الأبحاث أن منهجية الخلط تؤدي دورًا حاسمًا في أداء مواد تغيّر الطور.
فعلى سبيل المثال، أظهرت تجارب على مشتّتات مواد تغيّر الطور القائمة على هيدرات الأملاح أن الخلط بالموجات فوق الصوتية حسّن التجانس والاستقرار مقارنة بطرق الخلط التقليدية

تحسّن المعالجة بالموجات فوق الصوتية أنظمة مواد تغيّر الطور من خلال عدة آليات:

1. حجم جسيمات أصغر
   تفتّت قوى التجويف البلورات أو التجمعات الكبيرة إلى جسيمات دقيقة.
2. تحسين تجانس التشتيت
   تضمن الموجات فوق الصوتية توزيع الإضافات، مثل عوامل التنوية وعوامل زيادة اللزوجة، بالتساوي.
3. تقليل الترسيب
   تبقى الجسيمات الأدق معلّقة مدة أطول.
4. أداء حراري أفضل
   تُظهر الأنظمة المتجانسة انتقالات طور أكثر اتساقًا وتخزينًا فعّالًا أعلى للحرارة.

مواد تغيّر الطور المعزّزة نانويًا: تحسين الموصلية الحرارية

يُعدّ ظهور مواد تغيّر الطور المعزّزة نانويًا (NePCMs) من أكثر التطورات إثارة للاهتمام في أبحاث مواد تغيّر الطور. وفي هذه الأنظمة، تُدمج الجسيمات النانوية في مصفوفة مادة تغيّر الطور لتعزيز الموصلية الحرارية وتسريع نقل الحرارة.
يمكن للمواد النانوية، مثل الغرافين والأنابيب النانوية الكربونية وأكاسيد المعادن، أن تحسّن معدلات نقل الحرارة بصورة كبيرة. لكن الجسيمات النانوية تميل إلى التكتل بسبب قوى التجاذب القوية بين الجسيمات. وإذا لم تُشتّت هذه التكتلات بصورة سليمة، فلا يمكن تحقيق التحسينات المتوقعة في الموصلية الحرارية.
تؤدي المعالجة بالموجات فوق الصوتية دورًا حاسمًا هنا. إذ تفكّك قوى التجويف الشديدة الناتجة عن المعالجة بالموجات فوق الصوتية تكتلات الجسيمات النانوية وتوزّعها بانتظام في جميع أنحاء مادة تغيّر الطور. وتُظهر مواد تغيّر الطور المعزّزة نانويًا الناتجة امتصاصًا وإطلاقًا أسرع للحرارة، مما يجعلها أكثر كفاءة بكثير في تطبيقات تخزين الطاقة الحرارية.

التغليف النانوي: منع التسرّب وتحسين المتانة

من الابتكارات المهمة الأخرى التي تتيحها المعالجة بالموجات فوق الصوتية التغليف النانوي لمواد تغيّر الطور.
في مواد تغيّر الطور المغلّفة نانويًا، تُحاط مادة تغيّر الطور بغلاف واقٍ – غالبًا ما يُصنع من البوليمرات أو السيليكا أو المواد الهجينة. يمنع هذا الغلاف التسرّب عندما تنصهر مادة تغيّر الطور، ويحمي المادة من التحلل الكيميائي.
تتيح المعالجة بالموجات فوق الصوتية إنتاج مستحلبات فائقة الدقة تشكّل أساسًا للكبسولات الميكروية والنانوية. وتولّد العملية قطيرات متجانسة تشكّل لاحقًا لبّ مادة تغيّر الطور، بينما تتبلمر مواد الغلاف أو تتكاثف حولها. وتتميز الكبسولات الناتجة بتوزيعات ضيقة للأحجام واستقرار ميكانيكي محسّن.
يتزايد استخدام مواد تغيّر الطور المغلّفة هذه في تطبيقات متقدمة، تشمل المنسوجات الذكية والطلاءات وتبريد الإلكترونيات وأنظمة الإدارة الحرارية.

شمع البارافين بوصفه مادة تغيّر طور: مثال عملي على المعالجة بالموجات فوق الصوتية

تُستخدم مواد تغيّر الطور العضوية، مثل شمع البارافين، على نطاق واسع بفضل استقرارها الكيميائي وطبيعتها غير المسببة للتآكل ودرجات حرارة انصهارها الملائمة. وتُستخدم مواد تغيّر الطور القائمة على البارافين عادةً في مواد البناء والأنظمة الحرارية الشمسية وتقنيات التنظيم الحراري.
لكن شمع البارافين يعاني أيضًا من موصلية حرارية منخفضة نسبيًا، ويمكن أن يشكّل قطيرات أو تجمعات كبيرة عند دمجه في مستحلبات أو مواد مركّبة. وتوفّر المعالجة بالموجات فوق الصوتية حلاً قويًا لهذه التحديات.
عند معالجة شمع البارافين بموجات فوق صوتية عالية القدرة، تفتّت قوى التجويف الشمع المنصهر إلى قطيرات فائقة الدقة، فتنتج مستحلبات أو مشتّتات مستقرة. ويتيح ذلك توزيع الشمع بانتظام داخل مائع حامل أو مصفوفة بوليمرية. وتُظهر تركيبات مواد تغيّر الطور الناتجة خصائص محسّنة لنقل الحرارة واستقرارًا معزّزًا أثناء دورات تغيّر الطور المتكررة.
كما تُستخدم المعالجة بالموجات فوق الصوتية على نطاق واسع لإنتاج كبسولات البارافين الميكروية، حيث تُغلّف قطيرات الشمع المنصهر داخل أغلفة بوليمرية. تمنع هذه الكبسولات التسرّب أثناء الانصهار، وتتيح دمج مواد تغيّر الطور القائمة على البارافين في مواد البناء أو الطلاءات أو المنسوجات.

لماذا تُعدّ أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher مثالية لمعالجة مواد تغيّر الطور

تُعدّ معدات الموجات فوق الصوتية عالية القدرة ضرورية لتحقيق جودة التشتيت المطلوبة لتركيبات مواد تغيّر الطور المتقدمة. وقد أصبحت Hielscher Ultrasonics مورّدًا رائدًا لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية لكلٍّ من مختبرات الأبحاث والتصنيع الصناعي.
توفّر أنظمة Hielscher تحكمًا دقيقًا في سعة اهتزاز الموجات فوق الصوتية، والقدرة المُدخلة، وزمن المعالجة، مما يتيح للباحثين ضبط تركيبات مواد تغيّر الطور بدقة مع قابلية استثنائية لإعادة إنتاج النتائج. وتولّد أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية لديها حقول تجويف قوية ومتسقة، مما يضمن تقليل حجم الجسيمات وتفكيك التكتلات والتجانس بكفاءة.
ومن المزايا الرئيسية الأخرى لتقنية Hielscher قابلية التوسّع. إذ يمكن نقل العمليات المطوّرة في الأنظمة المختبرية مباشرة إلى المفاعلات الصناعية بالموجات فوق الصوتية، مما يتيح للمصنّعين الانتقال من التجارب على نطاق صغير إلى الإنتاج التجاري دون تغيير معلمات العملية الأساسية.
وقد استُخدمت أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher بالفعل في دراسات علمية لتحضير مشتّتات مواد تغيّر الطور، مما أظهر فعاليتها في إنتاج مخاليط متجانسة وتقليل تجمعات الجسيمات.

التقدم في تطوير مواد تغيّر الطور باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية

مع تطوّر أنظمة الطاقة وتزايد الطلب على التخزين الحراري الفعّال، ستؤدي مواد تغيّر الطور المتقدمة دورًا متزايد الأهمية. ولا يعتمد أداء هذه المواد على تركيبها الكيميائي فحسب، بل يعتمد أيضًا على الطرق المستخدمة لتحضيرها ومعالجتها.
توفّر المعالجة بالموجات فوق الصوتية أداة قوية ومتعددة الاستخدامات للتحكم في البنية المجهرية لأنظمة مواد تغيّر الطور. ومن خلال إتاحة مشتّتات متجانسة ودمج الجسيمات النانوية والتغليف النانوي، تساعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية على تجاوز العديد من القيود التي أعاقت تقنيات مواد تغيّر الطور تقليديًا.

تتحول المعالجة بالموجات فوق الصوتية سريعًا إلى تقنية تمكينية رئيسية لمواد تغيّر الطور من الجيل التالي، بما يشمل:

• مواد تغيّر الطور المعزّزة نانويًا
• مواد تغيّر الطور المغلّفة نانويًا
• مركّبات مواد تغيّر الطور ذات الموصلية الحرارية العالية
• مستحلبات ومشتّتات مستقرة لمواد تغيّر الطور

تتيح أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher، ذات الأداء العالي والمواصفات الصناعية، توسيع النطاق خطيًا وصولًا إلى الإنتاج واسع النطاق – مما يحوّل مواد تغيّر الطور من مواد مختبرية واعدة إلى حلول موثوقة لتخزين الطاقة والإدارة الحرارية الحديثة.

المؤلفات / المراجع

• Daniel López Pedrajas (2022): Development Of Nanoencapsulated Phase Change Material Slurry For Residential Applications. Thesis Universidad de Castilla-La Mancha 2022.
• De Paola, Maria Gabriela, Natale Arcuri, Vincenza Calabrò, Marilena De Simone (2017): Thermal and Stability Investigation of Phase Change Material Dispersions for Thermal Energy Storage by T-History and Optical Methods. Energies 10, no. 3: 354; 2017.
• De Paola, Maria; Calabrò, Vincenza; De Simone, Marilena (2017): Light scattering methods to test inorganic PCMs for application in buildings. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 251; 2017.
• Siahkamari, Leila; Rahimi, Masoud; Azimi, Neda; Banibayat, Maysam (2019): Experimental investigation on using a novel phase change material (PCM) in micro structure photovoltaic cooling system. International Communications in Heat and Mass Transfer 100, 2019. 60-66.