جيرويدات الزركونيا: الطباعة ثلاثية الأبعاد التي تضاعف قوة خلايا الوقود خمس مرات

تمكن باحثون من الجامعة التقنية في الدنمارك من كسر القالب التقليدي لخلايا الوقود ذات الأكسيد الصلب. باستخدام الزركونيا المثبتة بالإيتريا (8YSZ) وطابعة Lithoz CeraFab، قاموا بتصنيع هياكل أحادية الكتلة بهندسة جيرويدية. النتيجة هي نسبة قدرة إلى وزن تبلغ 1 واط لكل غرام، أي خمسة أضعاف نسبة الخلايا المسطحة التقليدية. يعد هذا التقدم بتحويل النقل الذي يعمل بالهيدروجين من خلال تقليل وزن أنظمة الطاقة بشكل كبير. ⚡

البنية المجهرية الجيرويدية: كيف تلغي الهندسة الثقل الميكانيكي 🧊

يكمن مفتاح النجاح في البنية الداخلية. فبدلاً من تكديس الخلايا المسطحة مع موصلات بينية ومواد مانعة للتسرب ثقيلة، صمم فريق البروفيسور فينتشنزو إسبوزيتو قطعة سيراميكية فريدة. تشكل الجدران الداخلية، الرقيقة للغاية، شبكة جيرويدية تزيد من المساحة النشطة دون المساس بالصلابة. تتيح الطباعة ثلاثية الأبعاد التحكم في كل مسام وكل انحناء، مما يخلق قنوات توزع الغاز بشكل متساوٍ. أثبت التعاون مع DTU Construct أن هذه البنية تتحمل الضغوط الحرارية لدورة التشغيل دون أن تتشقق. من خلال دمج وحدات جيرويدية متكررة داخل إطار محكم الإغلاق، يتم الحفاظ على الإحكام اللازم لتشغيل الخلية.

محاكاة ثلاثية الأبعاد: تصور القفزة في الأداء في السيراميك المعقد 🔬

لفهم هذا التقدم، تكشف محاكاة ثلاثية الأبعاد مقارنة عن الكثير. عند نمذجة تدفق الحرارة وتوزيع الضغوط في خلية مسطحة مقابل الخلية الجيرويدية، يُلاحظ كيف تلغي الهندسة المنحنية نقاط تركيز الإجهاد. الهيكل أحادي الكتلة ليس فقط أخف وزنًا، بل يبدد الحرارة بشكل أكثر تجانسًا. يصف إسبوزيتو هذا الاكتشاف بأنه نقلة نوعية: لقد تجاوزت الطباعة ثلاثية الأبعاد الحاجز الذي كان يمنع تجسيد هذه البنية المجهرية في السيراميك الموصل. الخطوة التالية هي توسيع نطاق الإنتاج لدمج هذه الخلايا في مركبات هيدروجين خفيفة وفعالة.

كيف تؤثر الهندسة الجيرويدية للزركونيا المطبوعة ثلاثية الأبعاد على التوصيل الأيوني والمتانة الحرارية لخلايا الوقود ذات الأكسيد الصلب مقارنة بالهياكل التقليدية؟

(ملاحظة: تصور المواد على المستوى الجزيئي يشبه النظر إلى عاصفة رملية بعدسة مكبرة.)