هناك طريقة جديدة تستخدم الموجات الدقيقة لخفض الطاقة المطلوبة لبعض العمليات الصناعية.

تعتمد بعض عمليات إنتاج المواد الكيميائية الصناعية على الحرارة، لكن طرق التدفئة التقليدية غالبًا ما تكون مسرفة لأنها تعمل على تدفئة مساحات كبيرة لا تحتاج إليها فعليًا. فريق بحثي يضم علماء من جامعة طوكيو طور طريقة لتركيز الحرارة فقط عند الحاجة إليها.

ويستخدم نهجهم أفران الميكروويف، المشابهة لتلك الموجودة في فرن الميكروويف المنزلي، لإثارة عناصر محددة داخل المواد المستهدفة. وحقق النظام الجديد كفاءة في استخدام الطاقة أعلى بحوالي 4.5 مرة من التقنيات التقليدية.

نهج التحول الأخضر للكيمياء الصناعية

على الرغم من أن تغير المناخ يشمل أكثر من مجرد إنتاج الطاقة وثاني أكسيد الكربون، فإن خفض الطلب على الطاقة والانبعاثات يظل تحديًا رئيسيًا للعلوم والهندسة. وفي إطار الهدف الأوسع المتمثل في التحول الأخضر، يعمل المحاضر فوميناو كيشيموتو وزملاؤه في قسم هندسة النظم الكيميائية بجامعة طوكيو على تطوير أساليب صناعية أنظف وأكثر كفاءة.

يمكن أن يؤدي عملهم الأخير إلى تحسين العمليات المستخدمة في التخليق الكيميائي وقد يؤدي إلى فوائد بيئية أخرى. الفكرة الأساسية وراء ابتكارهم بسيطة بشكل مدهش.

قال كيشيموتو: “في معظم الحالات، تحدث التفاعلات الكيميائية فقط في مناطق صغيرة جدًا وموضعية تتضمن عددًا قليلاً من الذرات أو الجزيئات. وهذا يعني أنه حتى داخل مفاعل كيميائي كبير، فإن أجزاء محدودة فقط هي التي تتطلب حقًا مدخلات الطاقة للتفاعل”. “ومع ذلك، فإن طرق التسخين التقليدية، مثل الاحتراق أو السوائل الساخنة، تعمل على تشتيت الطاقة الحرارية في جميع أنحاء المفاعل بأكمله. لقد بدأنا هذا البحث بفكرة أن الموجات الدقيقة يمكنها تركيز الطاقة على موقع ذري نشط واحد، تمامًا مثل الطريقة التي يسخن بها فرن الميكروويف الطعام.”

كيف يعمل: ضبط أفران الميكروويف للتسخين الدقيق

وكما أوضح كيشيموتو، فإن المفهوم يشبه فرن الميكروويف ولكنه يعمل في ظل ظروف مختلفة. بدلًا من استهداف جزيئات الماء القطبية بتردد 2.45 جيجا هرتز تقريبًا (وهو تردد تستخدمه أيضًا العديد من إشارات Wi-Fi، وهو ما يفسر سبب تعثر اتصالات الإنترنت أحيانًا عند إعادة تسخين الطعام)، قام الباحثون بضبط أفران الميكروويف الخاصة بهم على حوالي 900 ميجا هرتز. أثبت هذا التردد المنخفض أنه الأمثل لإثارة المادة التي كانوا يدرسونها – الزيوليت – وهي مادة مسامية يمكنها امتصاص الحرارة ونقلها بكفاءة.

“كان الجانب الأكثر تحديًا هو إثبات أن موقعًا ذريًا نشطًا واحدًا فقط هو الذي تم تسخينه بواسطة الموجات الدقيقة. ولتحقيق ذلك، أمضينا أربع سنوات في تطوير بيئة تجريبية متخصصة في منشأة إشعاع السنكروترون الكبيرة ذات المستوى العالمي في اليابان. الربيع-8قال كيشيموتو.

“يتضمن ذلك استخدام الزيوليت الشبيه بالإسفنج، وهو مثالي لأننا نستطيع التحكم في أحجام تجاويف الإسفنج، مما يسمح لنا بموازنة العوامل المختلفة للتفاعلات. داخل تجاويف الإسفنج، تعمل أيونات الإنديوم مثل الهوائيات. يتم تحفيزها بواسطة الموجات الدقيقة التي تولد الحرارة، والتي يمكن بعد ذلك نقلها إلى مواد التفاعل التي تمر عبر الإسفنج.”

تطبيقات في إنتاج الوقود وإعادة تدوير الكربون

من خلال توصيل الحرارة بشكل انتقائي إلى مواد معينة، يمكن استخدام درجات الحرارة الإجمالية المنخفضة لتحقيق تفاعلات تتطلب جهدًا كبيرًا، مثل تحلل الماء أو تحويل الميثان، وكلاهما مفيد لإنتاج منتجات الوقود. يمكنهم أيضًا تحسين الانتقائية عن طريق تغيير حجم مسام إسفنجة الزيوليت، حيث تؤدي المسام الأصغر إلى زيادة الكفاءة والمسام الأكبر مما يتيح تحكمًا أكبر في التفاعلات.

ومن المزايا الرئيسية أن هذه التقنية يمكن استخدامها في احتجاز الكربون، وإعادة تدوير ثاني أكسيد الكربون₂ كجزء من تحويل الميثان، وحتى إعادة تدوير البلاستيك بسهولة أكبر.

وسيكون التحدي الآن هو كيفية توسيع نطاق هذا الأمر لتشجيع التبني الصناعي، فالأشياء التي تنجح في المختبر لا تترجم مباشرة إلى بيئات صناعية كبيرة بسهولة. وهناك بعض القيود على البحث والتي يجب أيضًا معالجتها أولاً.

متطلبات المواد معقدة للغاية وليست بسيطة أو رخيصة الإنتاج؛ من الصعب قياس درجات الحرارة بدقة على المستوى الذري، لذلك تعتمد البيانات الحالية على أدلة غير مباشرة، وسيكون من الأفضل استخدام وسائل أكثر مباشرة. وعلى الرغم من التحسينات في الكفاءة، لا يزال هناك مجال للتحسين هنا أيضًا حيث توجد خسائر في الحرارة والكهرباء على طول الطريق.

“نحن نهدف إلى توسيع هذا المفهوم ليشمل تفاعلات كيميائية مهمة أخرى تتجاوز ثاني أكسيد الكربون₂ التحويل ولزيادة تحسين تصميم المحفز لتحسين المتانة وقابلية التوسع. التكنولوجيا لا تزال في مرحلة المختبر. وقال كيشيموتو إن التوسع سيتطلب مزيدًا من التطوير للعوامل الحفازة وتصميم المفاعلات والتكامل مع مصادر الطاقة المتجددة.

“في حين أنه من الصعب إعطاء جدول زمني محدد، فإننا نتوقع مظاهرات على نطاق تجريبي خلال العقد المقبل، مع اعتماد صناعي أوسع يعتمد على التقدم في كل من التكنولوجيا والبنية التحتية للطاقة. ولتحقيق ذلك، نحن نبحث عن شركاء من الشركات للمشاركة في التنمية المشتركة.”

المرجع: “الطاقة الحرارية المركزة في مواقع هوائيات الموجات الدقيقة الذرية للتحفيز البيئي” بقلم ريو إيشيباشي، فوميناو كيشيموتو، تاتسوشي يوشيوكا، هيروكي يامادا، كوكي موراوكا، توشياكي إينا، هيروكي تانيجوتشي، أكيرا ناكاياما، تورو واكيهارا وكازوهيرو تاكانابي، 10 أكتوبر 2025، تقدم العلوم.
دوى: 10.1126/sciadv.ady4043

التمويل: يعترف FK بأن هذا العمل تم دعمه من قبل الجمعية اليابانية لتعزيز العلوم (JSPS) منحة KAKENHI للمساعدة في مجالات البحوث التحويلية (A) (21H05550 و23H04097) ومنحة المعونة للبحث العلمي (B) (24K01254). تعترف KM بدعم JST PRESTO (JPMJPR2378). تعترف TY بزميل أبحاث (DC1) للجمعية اليابانية لتعزيز العلوم (JSPS) (22KJ0675).

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل, يكتشف، و أخبار.