باحثون يبتكرون طريقة لإعادة تدوير شفرات توربينات الرياح وخفض الانبعاثات حتى 92%
إعادة تدوير شفرات توربينات الرياح.. طريقة جديدة تخفض الانبعاثات وتستخرج مواد عالية القيمة
توصل فريق بحثي إلى طريقة مبتكرة لإعادة تدوير شفرات توربينات الرياح المستهلكة، وتحويلها إلى مادتين صناعيتين مرتفعتي القيمة، هما كربيد السيليكون والجرافين، باستخدام تقنية التسخين الكهربائي الخاطف التي ترفع درجة حرارة النفايات إلى نحو 2000 درجة مئوية خلال ثوانٍ.
ويمكن أن تسهم التقنية الجديدة في معالجة إحدى المشكلات البيئية المرتبطة بالتوسع في مشروعات طاقة الرياح، إذ تتميز شفرات التوربينات بمتانتها وقدرتها على تحمل الظروف الجوية القاسية، لكنها تصبح صعبة التفكيك وإعادة التدوير بعد انتهاء عمرها التشغيلي.
ووفقًا لدراسة نُشرت في 6 نوفمبر بمجلة «Chem Circularity»، يمكن للطريقة الجديدة خفض انبعاثات غازات الاحتباس الحراري الناتجة عن عمليات إعادة التدوير بنسبة تتراوح بين 83% و92%، مقارنة ببعض الطرق التقليدية، كما يمكن أن تحقق عائدًا اقتصاديًا بدلًا من تحمل تكاليف معالجة النفايات.
وقال بينج دينج، الباحث الرئيسي في الدراسة والمهندس الكيميائي والبيئي بجامعة تسينجهوا الصينية، إن العمر التشغيلي المعتاد لتوربينات الرياح يبلغ نحو 20 عامًا، ومع خروج التوربينات القديمة من الخدمة، خصوصًا في الصين التي شهدت توسعًا سريعًا في طاقة الرياح، ينتهي المطاف بكميات كبيرة من مخلفاتها في مدافن النفايات، وهو ما يمثل إهدارًا للموارد.
التسخين الخاطف ينتج مادتين صناعيتين
تعتمد الطريقة الجديدة على التركيب الكيميائي لشفرات توربينات الرياح، التي تُصنع عادة من الألياف الزجاجية المحتوية على السيليكا، إلى جانب راتنجات بوليمرية غنية بالكربون.
واستخدم الباحثون تقنية تُعرف باسم «التسخين الكهربائي الخاطف بجول» (Flash Joule Heating)، لرفع درجة حرارة مخلفات الشفرات إلى نحو 2000 درجة مئوية خلال ثوانٍ.
وفي درجات الحرارة المرتفعة هذه، يتفاعل الكربون الموجود في الراتنجات البوليمرية مع السيليكا لتكوين كربيد السيليكون، وهي مادة تتميز بالصلابة ومقاومة الحرارة، كما يعاد تنظيم جزء من الكربون في صورة جرافين، وهو مادة معروفة بقوتها وقدرتها على توصيل الحرارة والكهرباء.
وبذلك، لا تقتصر العملية على التخلص من الشفرات القديمة أو تفكيك مكوناتها، بل تحولها إلى مواد يمكن الاستفادة منها في تطبيقات صناعية جديدة.
تحسين خواص الراتنجات المستخدمة في تصنيع الشفرات
اختبر الباحثون إمكانية إعادة استخدام المواد المستخلصة في تصنيع منتجات جديدة، من خلال إضافتها إلى راتنجات بوليمرية، بما في ذلك المواد التي يمكن استخدامها في إنتاج شفرات توربينات الرياح.
وأظهرت النتائج أن إضافة المواد المستخلصة، التي تتكون من مزيج كربيد السيليكون والجرافين، بتركيز يبلغ 0.3% فقط من وزن الراتنج، أدت إلى زيادة صلابته ومتانته، وتحسين مقاومته للتشوه بنسبة 27% عند تعرضه لقوى الشد، و9% عند تعرضه للانحناء.
كما أظهرت التجارب، أن إضافة المواد المستخلصة بتركيز 0.1% من وزن الراتنج رفعت قدرته على نشر الحرارة بنسبة 41%، بما يسمح بانتقالها خلال المادة بسرعة أكبر.
وقال دينج، إن مزيج كربيد السيليكون والجرافين يمكن دمجه مجددًا في الراتنجات المستخدمة لتصنيع شفرات توربينات الرياح الجديدة، بما يحسن خصائصها الميكانيكية والحرارية.
خفض الانبعاثات وتحقيق عائد اقتصادي
إلى جانب إنتاج مواد ذات قيمة صناعية، يمكن أن توفر التقنية الجديدة بديلًا أقل تلويثًا وأكثر جدوى اقتصادية مقارنة ببعض أساليب إعادة التدوير التقليدية، مثل التحلل الحراري والإذابة الكيميائية.
وتعتمد تقنية التحلل الحراري على استخدام الحرارة لتفكيك البوليمرات وتحويلها إلى زيوت وغازات، بينما تستخدم الإذابة الكيميائية مذيبات لفصل الراتنجات عن الألياف الزجاجية.
ووفقًا لتقديرات الدراسة، يمكن أن تخفض الطريقة الجديدة انبعاثات غازات الاحتباس الحراري بنحو 83% مقارنة بالتحلل الحراري، وبنحو 92% مقارنة بالإذابة الكيميائية.
وقال هاو بي، الباحث الرئيسي المشارك والمهندس البيئي بجامعة تسينجهوا، إن طرق إعادة التدوير التقليدية تتطلب إنفاق الأموال لمعالجة النفايات، بينما يمكن أن تحقق الطريقة الجديدة ربحًا يقدر بنحو 80 دولارًا للطن، بفضل القيمة الاقتصادية لكربيد السيليكون والجرافين المستخلصين.
وفي المقابل، تبلغ تكلفة معالجة الطن الواحد نحو 460 دولارًا باستخدام التحلل الحراري، وترتفع إلى نحو 1800 دولار عند استخدام الإذابة الكيميائية، وفقًا للأرقام الواردة في الدراسة.
توسيع نطاق التقنية لتشمل صناعات أخرى
يعمل الفريق البحثي حاليًا على تطوير وسائل لتوسيع نطاق العملية، تمهيدًا لتطبيقها على نطاق صناعي، مع السعي إلى التعاون مع شركاء من القطاع الصناعي.
ولا تقتصر التطبيقات المحتملة للطريقة على شفرات توربينات الرياح، إذ يرى الباحثون إمكانية تكييفها لمعالجة مواد أخرى تتميز بالمتانة وصعوبة إعادة التدوير، وتُستخدم في صناعات الطيران والسيارات وتغليف المكونات الإلكترونية وقطاع البناء.
ووصف دينج التقنية بأنها تتجاوز مفهوم إعادة التدوير التقليدي إلى ما يُعرف باسم «إعادة التدوير الارتقائي» (Upcycling)، الذي يقوم على تحويل المواد المستهلكة أو منخفضة القيمة إلى منتجات جديدة ذات قيمة اقتصادية أعلى.
ويمثل هذا التوجه فرصة للاستفادة من مخلفات مشروعات الطاقة المتجددة، بما يقلل الأعباء البيئية المرتبطة بنهاية العمر التشغيلي للتوربينات، ويعزز الاستفادة من المواد الخام في دورة إنتاج جديدة.
