جيل جديد من الطاقة المحمولة.. خلايا وقود صلبة مصغرة قد تحل محل البطاريات

طور باحثون يابانيون ريأكتورًا محمولًا يعتمد على خلايا الوقود الصلبة (SOFC) يعالج تحديات إدارة الحرارة والسلامة.
هذا الميكرو رياكتور بحجم الكف يمكن تشغيله عند درجة حرارة الغرفة وتوليد الكهرباء خلال خمس دقائق فقط، تصميمه المبتكر متعدد الطبقات يسمح بلمسه بأمان مع توفير طاقة عالية لأجهزة الحافة.

الحاجة المتزايدة للطاقة المحمولة

مع تقدم العصر الرقمي، يزداد عدد أجهزة الحافة مثل الهواتف الذكية والطائرات بدون طيار والروبوتات المدمجة وأجهزة الذكاء الاصطناعي بسرعة، هذه الأجهزة تتطلب مصادر طاقة محمولة بكثافة طاقة عالية، وهو ما تكافح البطاريات التقليدية لتوفيره.

بطاريات الليثيوم-أيون، رغم انتشارها، تقترب من حدودها النظرية ولا تستطيع دعم رحلات الطائرات بدون طيار طويلة المدى.

للتغلب على هذا، اتجه العلماء إلى خلايا الوقود الصلبة، التي تحول الوقود الغني بالهيدروجين مباشرة إلى كهرباء بكفاءة عالية، وتحقق كثافة طاقة تصل إلى أربعة أضعاف البطاريات التقليدية.

تحديات تصغير خلايا الوقود الصلبة

تعمل خلايا الوقود الصلبة عادة عند درجات حرارة تتجاوز 600°م، ما يجعل تصغيرها صعبًا.
فروق الحرارة الكبيرة تسبب إجهادًا حراريًا قد يؤدي إلى تشقق الجهاز، ما يثير مخاوف السلامة، لذلك، غالبًا ما كانت SOFC مقتصرة على التطبيقات الصناعية أو الثابتة.

نجح الدكتور تيتسويا يامادا وفريقه في مختبر البحث المستقبلي متعدد التخصصات في معهد العلوم بطوكيو، في تصغير رياكتور SOFC ليصبح بحجم اليد.

تصميم مبتكر وحلول عزل حراري

نشرت الدراسة في Microsystems & Nanoengineering في ديسمبر 2025، وقدمت حلًا مبتكرًا لمشكلة الإجهاد الحراري من خلال هيكل سيراميكي من الزركونيا المستقرة بالإتريا (YSZ) بشكل معلق. هذا الهيكل المقاوم للحرارة يقلل من التوصيل الحراري ويمنع التشقق.
كما يوفر “السقالة” مساحة لوضع خلية الوقود المسطحة مع قنوات دقيقة لتدفق الهيدروجين والأكسجين والماء.

أضاف الفريق نظام عزل خفيف متعدد الطبقات لعزل الحرارة الشديدة داخل الخلية. يمكن للميكرو رياكتور الوصول إلى درجة حرارة التشغيل 600°م خلال خمس دقائق فقط، مقارنة بالنصف ساعة المطلوبة عادة في أجهزة SOFC التقليدية.

التأثير المحتمل وميزات السلامة

يقول الدكتور يامادا: “تصغير خلايا الوقود التقليدية إلى حجم الكف يفتح الطريق أمام أنظمة طاقة محمولة عالية الكثافة وقادرة على تزويد أجهزة الحافة بالكهرباء مباشرة”.

كما يتضمن الجهاز آلية أمان: إذا تم ثقب العازل، يؤدي فقدان الحرارة السريع إلى انخفاض درجة الحرارة تحت نطاق اشتعال الهيدروجين خلال خمس دقائق، مما يمنع حدوث أي مخاطر.

يشكل هذا العمل منصة قابلة للتوسع لتقنية SOFC المصغرة، ويمهد الطريق لحلول طاقة عالية الكثافة وآمنة للطائرات والروبوتات وأجهزة الذكاء الاصطناعي المستقبلية.
الكلمات المفتاحية