الطاقة
إعادة تخيل صناعة الفحم من خلال النقاط الكربونية
في ديسمبر 2023 ، وافق 198 دولة طرفا في مؤتمر الأطراف (COP) بشكل جماعي على أن العالم يجب أن “يتransition” بعيدا عن الوقود الحفري مثل الفحم بطريقة “عادلة ومنظمة ومتساوية” من أجل خفض انبعاثات الغازات الدفيئة إلى ما يقرب من الصفر بحلول عام 2050. ومع ذلك ، لا توجد جداول زمنية حتى الآن ، لذلك سوف يظل الوقود الحفري ركيزة للاقتصادات في كل مكان في السنوات القادمة.
الفحم هو المصدر الأكثر هيمنة والأكثر كثافة كربونية للطاقة في العالم. وتشمل أربعة أنواع رئيسية من الفحم:
(i) أنثراسيت
(ii) بيتومينوس
(iii) ساب بيتومينوس
(iv) ليجنيت
ي REPRESENTS هذا الوقود الحفري أكثر من 37٪ من إمدادات الكهرباء العالمية ، ويلعب دورًا أساسيًا في تشغيل المنازل والصناعات وتخفيف فقر الطاقة في العالم. حتى اليوم ، يعيش حوالي 860 مليون شخص في جميع أنحاء العالم بدون الوصول إلى الكهرباء. وبذلك ، فإن الحياة الحديثة غير قابلة للتخيل بدون فحم.
بلغ استخدام الفحم العالمي رقما قياسيا في عام 2023 حيث زادت الطلب على الوقود الحفري بنسبة 1.4٪ في العام ليتجاوز 8.5 مليار طن متري لأول مرة ، وفقًا لما ذكرته الوكالة الدولية للطاقة (IEA). ومن المتوقع أن يبقى استهلاك الفحم العالمي على مدار أكثر من 8 مليارات طن متري في عام 2026.
الفحم هو مورد أساسي لمواجهة تحدي زيادة استهلاك الطاقة بسرعة بسبب كونه أقل تكلفة ومتاحًا أكثر من الوقود الحفري الآخر. على عكس النفط والغاز ، يمكن العثور عليه بوفرة في جميع أنحاء العالم.
الشيء مع الفحم هو أنه لا يتطلب خطوط أنابيب ذات ضغط عال ، أو معالجة مكلفة ، أو حماية باهظة الثمن أثناء النقل ، مما يجعله أسهل في التخزين والنقل من الوقود الحفري الآخر الذي يحتاج إلى عملية طويلة ومكلفة.
ليس ذلك فحسب ، بل أن احتياطيات الفحم موزعة بشكل متساوٍ حول الكوكب. في يناير 2020 ، كان للولايات المتحدة أكبر احتياطي فحم في العالم ، بمقدار 250 مليار طن.
إلى جانب كونه أقل تكلفة ومتاحًا ، فإن الفحم أيضًا مرن للغاية ويمكن استخدامه في مجموعة من العمليات. الفحم يستخدم بشكل أساسي لتوليد الطاقة في جميع أنحاء العالم وهو في الواقع شكل من أشكال الطاقة بأسعار معقولة ، حيث أن توليد الكهرباء من الفحم أقل تكلفة من توليد الكهرباء من مصادر أخرى.
حتى في الولايات المتحدة ، يستخدم الفحم لتوليد الكهرباء عن طريق حرق الوقود الحفري في محطات الطاقة. يتم استخدام الحرارة الناتجة عن ذلك لتغيير الماء إلى بخار عالي الضغط ، الذي يدفع توربينا ، والتي بدورها تنتج الكهرباء. في عام 2019 ، تم توليد ما يقرب من 23٪ من جميع الكهرباء في الولايات المتحدة من محطات طاقة تعمل بالفحم ، وفقًا لإدارة معلومات الطاقة الأمريكية.
يستخدم هذا الوقود الحفري أيضًا لإنتاج الصلب والإسمنت وهو مكون أساسي في إنتاج الحديد ، بالإضافة إلى المعادن الأخرى مثل الألومنيوم والنحاس. يستخدم الفحم ومشتقاته أيضًا في مرشحات المياه وأنظمة تنقية الهواء ، في بناء الطائرات والسيارات ، في الأدوية ، وفي العمليات الكيميائية لاستخراج العناصر الأرضية النادرة.
ثم هناك استخدامات الغازية والسائلة للفحم ، معظم مشاريع الفحم إلى الغاز تقع في الولايات المتحدة والصين ، مع بعضها في أستراليا وكندا والهند وجنوب أفريقيا وإندونيسيا. بالإضافة إلى إنتاج الكتل الكيميائية ، مثل الأمونيوم والميثانول واليوريا ، يستخدم الفحم في صناعات الورق والمنسوجات والزجاج.
على الرغم من وفرة الفحم ومتانته وثباته ، فإن الصناعة تواجه تحديات في شكل تطوير التكنولوجيا والمسارات لانبعاثات الصفر ، والتي تم تحديدها كعامل في تغير المناخ.
انقر هنا لتعلم كيف يمكن للوقود الحفري أن يلعب دورًا حيويًا في تقنيات الإلكترونيات التالية.
إعادة تقييم الدور الاقتصادي للفحم
بينما تلتزم الدول في جميع أنحاء العالم بالتحول إلى وسائل أخرى لإنتاج الطاقة بسبب مساهمتها في تغير المناخ ، يبحث الباحثون والعلماء في طرق أخرى لاستخدام الفحم.
لإعادة تقييم الدور الاقتصادي للفحم ، تعاونت شركة تايوان للتصنيع الشبه موصل ، ومختبر التكنولوجيا الوطنية للطاقة ، وجامعة إلينوي في أوربانا شامبين ، ومختبر أوك ريدج الوطني في جهد بحثي مشترك.
في السنوات الأخيرة ، تم إجراء الكثير من الأبحاث في مجال المواد ثنائية الأبعاد بسبب الخواص الكهربائية والبصرية والميكانيكية.
تتميز المواد شبه الموصلة ثنائية الأبعاد بمواصفات مثلmobility العالية ، والتبديل منخفض الطاقة ، وفجوة نطاق كبيرة نسبيًا ، ووجود طرق نمو كبيرة المنطقة ، مما يجعلها مرشحًا واعدًا للجيل التالي من الإلكترونيات.
تمت تجربة الفحم لاستخدامه في الإلكترونيات.
“الفحم عادة ما يُعتبر شيئًا ضخمًا وقذرًا ، ولكن تقنيات المعالجة التي طورناها يمكن أن تحوله إلى مواد نقية جدًا بسماكة بضعة ذرات فقط.”
قال هو أيضًا:
“الهياكل الذرية الفريدة والخصائص المثالية لصنع الإلكترونيات الصغيرة جدًا بأداء أفضل من الحالة الحالية.”
تحت هذا التعاون ، طور الباحثون عملية تحول الفحم إلى أقراص كربونية صغيرة جدًا تسمى “نقاط كربونية”.
كما أظهر الفريق ، يمكن ربط هذه الأقراص الكربونية لإنشاء أغشية رقيقة ذرية. يمكن استخدام هذه الأغشية في تطبيقات مثل الترانزستورات ثنائية الأبعاد والميمريستورات.
نقاط الكربون أو CDs هي نوع جديد من المواد الكربونية التي حظيت باهتمام كبير وأبحاث بسبب الخصائص الفيزيائية الكيميائية المتنوعة.
تتميز هذه المواد الجديدة بخصائص مثل الحجم الصغير والصداقة البيئية والتكلفة المنخفضة والسمية المنخفضة والاستقرار العالي والتوافق البيولوجي الجيد وحركة الإلكترونات والquantum العالي والفراغ الوظيفي الغني والخصائص البصرية الفريدة.
تتضمن هذه الخصائص جميعًا هذه المواد الجديدة في عائلة الكربون ، مما يجعلها شائعة ومتعددة التطبيقات.
- الحساسات
- تشفير المعلومات
- التفكك الضوئي
- ديودات发光
- كشف كيميائي
- خلايا شمسية
- مكثفات فائقة
- بطاريات قابلة لإعادة الشحن
- التصوير البيولوجي
- العلاج الضوئي
- توصيل الجينات
- توصيل الدواء
- كشف المتفجرات
- الطب النانوي
- سلامة الأغذية
- مكافحة التزوير
تعلم كيف يمكن للميثان أن يكون مفتاحًا لتحقيق أهداف المناخ.
الفحم سيلعب دورًا حيويًا في الإلكترونيات التالية
الباحثون والعلماء في جميع أنحاء العالم يعملون على صنع إلكترونيات أصغر وأسرع وأكثر تقدمًا.
هذا يعني أجهزة مصنوعة من مواد بسماكة ذرة واحدة أو ذرتين تعمل بكفاءة أكبر وتستهلك طاقة أقل.
نحو هذه الأجهزة ، تم إجراء العديد من الدراسات حول الموصلات شبه الموصلة رقيقة جدًا.
عندما يتعلق الأمر بالمواد ، يتم تقسيمها إلى موصلات وشبه موصلات ومواد عازلة بناءً على khảية توصيل التيار الكهربائي.
المواد مثل النحاس والبراص والفولاذ والذهب والألومنيوم التي ت conducts الكهرباء بسهولة بسبب مقاومة كهربائية منخفضة تسمى موصلات.
المواد العازلة هي مواد مثل الزجاج والهواء والخشب والبلاستيك والمطاط ، التي لا ت conducts الكهرباء بسهولة.
المواد مثل السيليكون والجيرمانيوم والسلينيوم ، بالإضافة إلى المركبات مثل غاليوم أرسينيد وإنديوم أنتيمونيد ، لها قيمة توصيل كهربائي تقع بين قيمة موصل و عازل.
مقاومة شبه الموصل تقل مع ارتفاع درجة الحرارة ، في حين أن التوصيل الكهربائي لشبه الموصل يزيد مع زيادة درجة الحرارة.
تتمتع المواد العازلة بتطبيقات واسعة ، بما في ذلك عزل الجدران لتنظيم تدفق الحرارة ، وعزل الفرن للحواجز الحرارية والديلكتريكية ، وعزل الصوت لمنع الاضطرابات ، والعزل الكهربائي في الدوائر المنزلية والمكثفات في السلع التجارية والاستهلاكية.
تتميز شبه الموصلات بتطبيقات واسعة ، مثل الترانزستورات الصغيرة الموجودة في كل جهاز نستخدمه ، والخلايا الشمسية المستخدمة في لوحات الطاقة الشمسية لتحويل الضوء إلى كهرباء.
في العوازل ، يكون الفجوة بين حزم التكافؤ والتوصيل كبيرًا جدًا (حوالي 15 إلكترون فولت) ، بينما في شبه الموصل ، يكون هذا الفجوة صغيرًا جدًا (حوالي 1 إلكترون فولت).
وفقًا لدراسة حديثة ، يمكن أن تعمل الطبقات الذرية الرقيقة من الكربون ذات الهياكل الذرية غير المنظمة كعازل ممتاز لإنشاء أجهزة ثنائية الأبعاد.
الآن ، لإظهار إمكانيات الطبقات الكربونية المشتقة من الفحم ، استخدم الباحثون هذه الطبقات كديلكتريك البوابة في الترانزستورات ثنائية الأبعاد.
بناءً على شبه الموصل الموليبدنوم ثنائي الكبريتيد ، أنشأ الفريق جهازًا يعمل بسرعة تزيد عن ضعف السرعة مع استهلاك أقل للطاقة.
تتميز هذه الطبقات الكربونية المشتقة من الفحم بأنها لا تحتوي على “روابط متدلية” ، والتي توجد بكميات كبيرة على سطح العوازل ثلاثية الأبعاد التقليدية.
قال السيد قينغ كاو:
“من المثير حقًا ، لأن هذا هو المرة الأولى التي يتم ربط الفحم ، شيء نعتبره عادة منخفض التقنية ، بالحافة الأمامية لتقنيات الإلكترونيات الدقيقة.”
تتمثل تطبيق آخر أظهره الباحثون في الميمريستورات ، وهو مكون إلكتروني يمكنه تخزين وتنفيذ البيانات ، مما يحسن بشكل كبير تنفيذ الذكاء الاصطناعي.
تخزين البيانات وتمثيلها عن طريق تعديل فيلم موصل.
من خلال استخدام الطبقات العازلة رقيقة جدًا ، تمكن الباحثون من تحقيق تكوين سريع لهذا الفيلم مع استهلاك منخفض للطاقة ، مما مكن الجهاز من العمل بسرعة عالية وطاقة منخفضة.
أحاطت الحلقات الحجم الذرية في هذه الطبقات الكربونية المشتقة من الفحم الفيلم وتحسنت من عمليات تشغيل الجهاز المتكررة لمزيد من موثوقية تخزين البيانات.
تظهر هذه الأجهزة الجديدة أن الطبقات الكربونية المشتقة من الفحم يمكن استخدامها في أجهزة ثنائية الأبعاد.
استغلال النهج الجديد
في حين أن العالم ينتقل بعيدًا عن الكربون بسبب التركيز المتزايد على خفض انبعاثات الغازات الدفيئة ، يمكن أن ترى الصناعة أبحاثًا مستمرة في إعادة تقييم الكربون.
#1. تايوان سيميكونداكتور مانيوفاكتشرينغ
هذه هي أكبر شركة تصنيع شبه موصل في العالم التي تستخدم أحدث تقنيات التصنيع في الصناعة.
(TSM )
بقيمة سوقية تبلغ 530.26 مليار دولار ، تُباع أسهم TSM حاليًا عند 101.40 دولار ، بانخفاض 1.69٪ منذ بداية العام.
#2. نيفيديا كوربوريشن
تطوير الأجهزة والبرامج لألعاب الكمبيوتر والهواتف المحمولة ومراكز البيانات والتطبيقات.
(NVDA )
بقيمة سوقية تبلغ 1.29 تريليون دولار ، تُباع أسهم NVDA حاليًا عند 522.58 دولار ، بزيادة 5.5٪ منذ بداية العام.
#3. أدفانسد مايكرو ديڤايسز
هذا هو مصمم وحدة المعالجة المركزية ووحدة المعالجة الرسومية الذي أعلن最近 عن سلسلة Ryzen 8000G ، التي تتميز بـ Ryzen 7 8700G.
(AMD )
بقيمة سوقية تبلغ 236.154 مليار دولار ، تُباع أسهم AMD حاليًا عند 145.21 دولار ، بانخفاض 0.83٪ منذ بداية العام.
الختام
لذلك ، كما نرى ، يتم تحويل صناعة الفحم مع العلماء والباحثين الذين يعملون على كشف قيمته والدور الذي يلعبها من خلال إنشاء نقاط كربونية تظهر بعض الخصائص الفريدة التي يمكن أن تكون مفيدة حقًا في الجيل التالي من الأجهزة الإلكترونية.
