التصنيف: تقنية

هل تساءلت يومًا عن سبب تسخين بعض المواد أسرع من غيرها؟ أو لماذا يتطلب تسخين كوب من الماء طاقة أكثر من كوب الحليب؟ الإجابة على هذه الأسئلة تتعلق بالسعة الحرارية Heat capacity، والسعة الحرارية النوعية Specific heat capacity للمواد المختلفة.

السعة الحرارية هي مقدار قدرة المادة على الاحتفاظ بالحرارة. تخيل أن لديك مادتين مختلفتين، مثل المعدن والبلاستيك. إذا وضعت المادتين في نفس القدر من ضوء الشمس، فسوف يسخن المعدن بشكل أسرع من البلاستيك. هذا لأن المعدن له سعة حرارية أعلى من البلاستيك. يمكن للمعدن الاحتفاظ بمزيد من الطاقة الحرارية دون تغيير كبير في درجة حرارته.

ما هي السعة الحرارية؟

السعة الحرارية هي مقياس لمقدار الطاقة الحرارية التي يمكن للمادة أن تمتصها دون تغيير كبير في درجة حرارتها. بمعنى آخر، السعة الحرارية هي مقياس لمدى “مقاومة الحرارة” لمادة ما. وللمواد المختلفة سعات حرارية متباينة. على سبيل المثال، يتمتع الماء بسعة حرارية أعلى بكثير من الهواء. نتيجة لذلك، يتطلب تسخين الماء طاقة أكثر مما يتطلبه تسخين الهواء [1,2] . لكن إن كانت هذه السعة الحرارية فما المقصود بالسعة الحرارية النوعية إذن؟

ما هي السعة الحرارية النوعية؟

السعة الحرارية النوعية لمادة ما هي مقياس لمقدار الحرارة المطلوبة لرفع درجة حرارة جرام واحد من المادة بمقدار درجة واحدة. ولأن المواد المختلفة تمتلك سعات حرارية متباينة، إذ يحتوي الماء على سعة حرارية محددة تبلغ 4.184 جول / جم درجة مئوية، بينما يحتوي الحديد على مقدار محدد يبلغ 0.450 جول / جم درجة مئوية. هذا يعني أن ارتفاع درجة حرارة جرام واحد من الماء بمقدار 4.184 مرة أكثر مما يتطلبه الأمر لرفع درجة حرارة جرام واحد من الحديد بدرجة واحدة.

السعة الحرارية والسعة الحرارية النوعية مفاهيم مهمة في العلوم والهندسة. ويتم استخدامهم في مجموعة متنوعة من التطبيقات، مثل الطهي وتدفئة المباني وتصميم المحركات. إليك تجربة ممتعة يمكنك القيام بها مع طفلك لمعرفة المزيد عن السعة الحرارية وعن تطبيقاتها.

تجربة صنع بالون مقاوم للنار

هل أنت مستعد لتجربة بالون سهلة للغاية؟ تستخدم تجربة البالون خدعة رائعة مع الماء لجعلها مقاومة للنار. دعنا نبدأ [3].

الخطوات

1. نفخ بالون بالهواء.
2. اشعل شمعة وضعها على طبق.
3. اجعل البالون قريبًا من اللهب قدر الإمكان حتى ينفجر.
4. املأ بالونًا آخر بقليل من الماء من الصنبور ثم انفخه بالهواء ليصبح في حجم البالون الأول.
5. اخفض البالون المملوء بالماء والهواء باتجاه اللهب وانظر ماذا سيحدث!
6. أزل البالون من اللهب ولاحظ البقعة المحترقة من البالون، لكنها لم تنفجر! لماذا؟

الملاحظات

تأكد من أن طفلك قد لاحظ انفجر البالون الأول عند وضعه بالقرب من مصدر حرارة، وأنه يتساءل من عدم انفجار البالون الآخر الذي يحتوي الماء قبل أن تكشف عن السبب، فعملية التساؤل ضرورية للتعلم.

اعتمادًا على كمية الماء الموجودة في البالون الثاني، يسخن الماء بدرجة كافية (عادةً في غضون 30 ثانية إلى دقيقة واحدة)، وسينفجر في النهاية كالبالون الأول، لكنه انتظر كثيرًا قبل الانفجار، أليس كذلك؟

يمكنك إخراج البالون من اللهب قبل الانفجار والنظر إلى المكان الذي تعرض للنار. قد تشعر بالدهشة لأنه على الرغم من أن البالون الخاص بك يبدو محترقًا من اللهب في ذلك المكان الملامس للنار، إلا أنه لم ينفجر بالماء في كل مكان. في الواقع، إذا نظرت عن كثب إلى الجزء السفلي من البالون حيث لامس اللهب اللاتكس ، فستكون هناك بقعة سوداء. هذه البقعة السوداء ليست البالون الذي يحترق في الواقع ، لكنه رواسب الكربون التي تُركت على البالون بينما حرق اللهب الأكسجين وأطلق ثاني أكسيد الكربون. يمكنك بالفعل انتزاع منشفة مبللة أو قطعة قماش ومسح برفق السخام الكربوني الأسود من البالون، ليبدو وكأنه جديد.

لماذا لا ينفجر بالون الماء بنفس سرعة البالون الهوائي؟

السر وراء تجربة البالون والشمعة موجود حقًا في الماء. حيث يتمتع الماء بسعة حرارية أعلى بكثير من الهواء، مما يعني أنه يستهلك طاقة لتسخين المياه أكثر بكثير مما يتطلبه تسخين الهواء. فالماء قادر على امتصاص الكثير من الحرارة من اللهب وسحبها بعيدًا عن اللاتكس، مما يمنع مادة اللاتكس الخاص بالبالون من الذوبان، ولا يسمح للبالون بالانفجار لوقت أطول. في النهاية، سيصبح الماء ساخنًا بدرجة كافية بحيث لا يحافظ على مادة اللاتكس باردة بدرجة كافية وسينفجر البالون، لكن الأمر سيستغرق وقتًا أطول بكثير عن البالون الذي كان به هواء فقط.

ما العوامل المؤثرة على السعة الحرارية؟

السعة الحرارية خاصية مادية، تعتمد على عدة عوامل كالآتي:

1. الكتلة: تتناسب السعة لمادة ما طرديا مع كتلتها. مما يعني أن الكتلة الأكبر ستتطلب مزيدًا من الحرارة لرفع درجة حرارتها مقارنةً بالحرارة التي تتطلبها كتلة أصغر لترتفع حرارتها بنفس المقدار.
2. حالة المادة: يمكن أن تتغير السعة الحرارية للمادة اعتمادًا على حالتها. على سبيل المثال، للماء مقدار أعلى كسائل منه كغاز. وذلك لأن الجزيئات الموجودة في السائل تكون أقرب من بعضها البعض ولديها قدرة أكبر لامتصاص الحرارة من الجزيئات الموجودة في الغاز.
3. القوى بين الجزيئات: يمكن أيضًا أن تتأثر السعة الحرارية لمادة ما بقوة الربط بين جزيئات المادة. على سبيل المثال، للماء سعة حرارية أعلى من الكحول لأن جزيئات الماء لها قوة ربط أقوى بين الجزيئات من الكحول.

• 6 أشياء غريبة تحدث في الفضاء
• اختلاف أرسطو وديكارت في تفسير الظواهر
• الاحتمالات في ميكانيكا الكم

ما هي التطبيقات اليومية للسعة الحرارية في الحياة الواقعية؟

نتيجة لأهمية هذه الخاصية في علوم المواد، تُستخدم لدراسة مدى ملائمة واختيار المواد المختلفة للعديد من التطبيقات في الحياة الواقعية اليومية مثل الطهي وتدفئة المباني. كذلك على المستوى الصناعي تستخدم الخاصية في تصميم المحركات وتشغيلها في السكك الحديدية [4].

تطبيقات في حياتنا اليومية

1. الطهي: تُستخدم هذه الخاصية في الطهي لتحديد المدة التي يستغرقها طهي الطعام. على سبيل المثال، يتمتع الماء بسعة حرارية عالية، لذلك يستغرق تسخينه وقتًا أطول من الزيت. نتيجة لذلك يتم طهي الطعام بشكل أسرع عند طهيه بالزيت بدلاً من الماء.

2. المواد المستخدمة في صنع أواني الطهي: أواني طهي الخضروات وما إلى ذلك مصنوعة من مواد منخفضة الحرارة ذات قاع مصقول. لذلك، تسخن بشكل أسرع مثل النحاس والألمنيوم والجرانيت وما إلى ذلك.

3. مقابض الأواني في المنزل مصنوعة من مواد توفر العزل الحراري. وتؤثر الحرارة النوعية أيضًا على قدرة العزل والموصلية.

4. استخدام مواد حرارية عالية الجودة كعوازل: الخشب على سبيل المثال لديه حرارة نوعية عالية. خلال فصل الصيف، تحافظ البيوت الخشبية على برودة الداخل. ويمكن للبناة اختيار مواد البناء المناسبة بناءً على الموقع والارتفاع. مما يتيح بناء منازل أكثر دفئًا أو برودة.

تطبيقات في الصناعة

1. تصميم أنظمة الحماية من الحرائق: تُستخدم السعة الحرارية في تصميم أنظمة الحماية من الحرائق لتحديد مقدار الحرارة التي يمكن أن يمتصها نظام الحماية من الحرائق دون ارتفاع درجة الحرارة. لذلك تُستخدم المواد عالية السعة الحرارية، مثل الماء كي تمتص الطاقة الحرارية دون ارتفاع درجة الحرارة، مما يساعد على حماية الأشخاص والممتلكات من الحرائق.
2. تصميم المحركات: تستخدم السعة الحرارية في تصميم المحركات لتحديد مقدار الحرارة التي يمكن أن يمتصها المحرك دون ارتفاع درجة حرارته. على سبيل المثال، يمكن للمواد ذات السعات الحرارية العالية، مثل المعادن، أن تمتص الطاقة الحرارية دون ارتفاع درجة الحرارة، مما يساعد على حماية المحركات من التلف.
3. تصميم العزل الحراري: تستخدم السعة الحرارية في تصميم العزل الحراري لتحديد مقدار الحرارة التي يمكن نقلها عبر المادة. على سبيل المثال، يمكن للمواد ذات السعات الحرارية العالية، مثل الرغوة إبطاء نقل الحرارة، مما يساعد على إبقاء الأشياء دافئة أو باردة.
4. تشغيل محركات السكك الحديدية أو الدوارات في مولدات التيار المتردد: يستخدم البخار لنقل الكثير من الطاقة الحرارية عند ضغوط عالية  للبخار حرارة نوعية عالية (أكثر من الماء)

المصادر

1. Heat capacity | Britannica
2. Heat capacity and calorimetry | Khan Academy
3. Heating water in a experiment | Physics Demo
4. Applications of Specific Heat Capacity | Heat | myhometuition Youtube Channel

تناولنا في مقالاتنا السابقة البطاريات الجلفانية، وتطرقنا إلى أحد أنواعها وهي بطارية الليثيوم أيون. وهنا سنتناول بشكل أكثر تفصيلًا نوعًا آخر لهذه البطاريات، ألا وهي بطاريات الصوديوم أيون. تكمن أهمية بطارية الصوديوم أيون في إمكانيتها مستقبلًا في المساهمة في حل بعض التحديات التي تواجه تطبيقات تخزين الطاقة ذات السعات العالية، والمتجددة.

ما هي بطارية الصوديوم أيون؟

تعتبر بطارية الصوديوم أيون أحد أنواع البطاريات الجلفانية القابلة للشحن، والتي تستخدم أيونات الصوديوم لنقل الشحنة الكهربائية بين الأقطاب. تشير بعض الأبحاث إلى أن هذه البطاريات يمكن أن تكون بديلاً واعدًا لبطاريات الليثيوم أيون في التطبيقات الصناعية، وتخزين الطاقة كما سبق ذكره في مقدمتنا.
وما يميز هذه البطاريات هو تفردها بعدة مزايا أهمها: الأمان، والاستدامة، والتكلفة المنخفضة.

ما هي آلية عمل بطارية الصوديوم أيون؟

تعتمد آلية عمل بطارية الصوديوم آيون على تدفق الأيونات بين القطبين المختلفين في البطارية أثناء عملية الشحن والتفريغ. في عملية الشحن، يتم تطبيق تيار كهربائي على البطارية، مما يؤدي إلى تحرير أيونات الصوديوم الموجودة في القطب السالب وتتحرك إلى القطب الموجب عبر مادة سائلة تحتوي على أملاح صودية منفصلة في مذيبات قطبية بروتية أو غير بروتية تسمى بالإلكتروليت. بعد ذلك، يتم تخزين هذه الأيونات في القطب الموجب.
أما في عملية التفريغ، يتم توصيل البطارية بالحمل الكهربائي ويتحرر الصوديوم من القطب الموجب ويتحرك عبر الإلكتروليت إلى القطب السالب، ويتم إطلاق الطاقة الكهربائية خلال هذه العملية.

كيف تطورت بطارية الصوديوم أيون عبر التاريخ؟

تم اكتشاف بطارية الصوديوم أيون في عام 1807 من قبل الكيميائي والمخترع الإنجليزي سير همفري ديفي. وقد تم تطوير هذه البطاريات في السبعينات وأوائل الثمانينات من القرن الماضي. ومع ذلك ، بحلول التسعينات ، أظهرت بطاريات الليثيوم أيون فعالية تجارية أكبر، مما تسبب في انخفاض الاهتمام ببطاريات الصوديوم أيون.
في أوائل العقد الثاني من القرن الحادي والعشرين، شهدت بطاريات الصوديوم أيون عملية إعادة إحياء، وذلك بسبب ارتفاع تكلفة المواد الخام لبطاريات الليثيوم أيون. حتى وصلنا الآن إلى مرحلة تصنيع هذه البطاريات بصورة أوسع ليتم استخدامها تجاريًا في معظم المجالات الصناعية.

ما مزايا بطارية الصوديوم أيون؟

توافر ورخص المادة الخام:

الصوديوم هو عنصر شائع في الطبيعة ولا يتطلب استخراجه من مناجم نادرة أو باهظة الثمن. يمكن الحصول على الصوديوم من ملح البحر، أو من منتجات ثانوية لعمليات صناعية أخرى.

الأمان:

بطاريات الصوديوم أيون غير قابلة للاشتعال، ولا تسبب حوادث حرارية أو انفجارا كما قد يحدث في بعض بطاريات الليثيوم أيون. كما أنها تتحمل الجهود الحرارية، وتتميز بالانتقال الآمن من درجات الحرارة العالية إلى المنخفضة بشكل أفضل.

غير مكلفة:

بطاريات الصوديوم أيون يمكن تصنيعها على نفس خطوط إنتاج بطاريات الليثيوم أيون دون تغيير كبير في المعدات أو التقنية. كما يمكن استخدامها لنفس التطبيقات التي تستخدم فيها بطاريات الليثيوم أيون دون تغيير كبير في التصميم، أو تغير في الأداء.

ما هي الأنواع المختلفة لبطاريات الصوديوم أيون؟

توجد عدة أنواع من بطاريات الصوديوم أيون تختلف في تركيبها وخصائصها واستخداماتها، ومن بين هذه الأنواع:

بطاريات الصوديوم-بوليمر:

يتم استخدام بوليمرات صلبة أو هلامية بدلاً عن المذيبات السائلة، والتي تُعرف بالإلكتروليت. تتميز هذه البطاريات بأنها أكثر أمانًا وأخف وزنًا وأكثر مرونة من البطاريات التقليدية.
تستخدم بطاريات الصوديوم بوليمر الصلبة -كما يوضح اسمها- بوليمرات صلبة مثل بولي أكسيد إثيلي《PEO》، أو بولي فلورو إثيلين 《PVDF》 كبديل للإلكتروليت. وبالرغم من تمتع هذه البطاريات بقوة ميكانيكية عالية؛ واستقرار كهروكيميائي جيد، إلا أنها تعاني من موصلية أيونية منخفضة، وانخفاض عدد دورات الشحن والتفريغ.
تستخدم بطاريات البوليمر صوديوم الهلامية بوليمرات هلامية مثل بولي أكريلامايد 《PAAm》، أو بولي فاينيل سيلان《PVS》 كبديل للإلكتروليت. يتميز هذا النوع باحتوائه على مذاب قطبي يتغلغل في شبكة بوليمرية ثلاثية الأبعاد، مما يزوده بموصلية أیونیة عالیة. ومع ذلك، فإن هذه البطاریات تعاني من انخفاض تحمل الأحمال المیکانیکیة، وتدهور سریع لسعة التخزین.

بطاريات الصوديوم-كبريت:

تستخدم هذه البطاريات الصوديوم السائل، والكبريت السائل كأقطاب. وتتكون كل خلية من بطارية الصوديوم-كبريت من بديل إلكتروليت صلب ينقل الأيونات بشكل انتقائي بين قطب سالب من الصوديوم، وقطب موجب من الكبريت. يتم تغليف الخلية بغلاف فولاذي محمي من التآكل من الداخل، ويعمل هذا الغلاف كقطب موجب، بينما يعمل الصوديوم السائل كقطب سالب. ويتم إغلاق الحاوية من الأعلى بغطاء ألومنيوم محكم.
خلال عملية التفريغ، يتفاعل الصوديوم مع أكسجین الماء لإنتاج هیدروکسید صودیوم فی القطب السالب، بینما یتفاعل الکبریت مع أیونات الصودیوم لإنتاج کبریتید صودیوم فی القطب الموجب.
هذا النوع من البطاريات له كثافة طاقة مشابهة لبطاريات الليثيوم أيون، ويتم تصنيعه من مواد رخيصة وغير سامة. ومع ذلك، بسبب الحرارة العالية المطلوبة للتشغيل (عادة ما بين 300 و 350 درجة مئوية)، فضلاً عن طبيعة الصوديوم والكبريت المسببة للتآكل، فإن هذه البطاريات تناسب بشكل أساسي تطبيقات تخزين الطاقة الثابتة، بدلاً من استخدامها في المركبات. بالإضافة إلى أن هذه البطاريات تعاني من مشاكل في السلامة والمتانة، مثل عدد دورات الشحن والتفريغ المحدود (أقل من 1000 دورة في المتوسط). نتيجة لذلك، لم تحقق هذه البطاريات انتشارًا تجاريًا واسعًا.

بطاريات الصوديوم-هواء:

يتكون هذا النوع من قطب سالب من الصوديوم، وقطب موجب من مادة كربونية تحتوي على محفز لتسهيل رد فعل الأكسجين. يفصل بينهما محفز إلكتروليتي يحتوي على أملاح صودا، أو بديلا صلبًا عنه. خلال عملية التفريغ، يتأكسد الصوديوم ويتحول إلى أيونات صوديوم، منتقلة عبر الناقل إلى القطب الموجب. بينما تسافر الإلكترونات عبر الدائرة الخارجية. في نفس الوقت، يؤخذ الأكسجين من الهواء، ويتفاعل مع أيونات الصوديوم لتشكيل نواتج التفريغ، والتي قد تكون أكسيد الصوديوم، أو بيروكسيد الصوديوم، أو سوبرأكسيد الصوديوم بحسب ظروف التفاعل.
 هذا النوع من البطاريات له كثافة طاقة نظرية عالية جداً، تصل إلى 1600 واط ساعة / كغم، وجهد تفريغ عالٍ، يصل إلى 2.5 فولت. 

ما هي تطبيقات واستخدامات بطارية الصوديوم أيون؟

تتميز بطاريات الصوديوم أيون بعدة خصائص تجعلها مفيدة للعديد من التطبيقات، ومن بين استخداماتها:
تخزين الطاقة المتجددة: استخدامها لتخزين الطاقة المتولدة من الطاقة الشمسية والرياح وغيرها من المصادر المتجددة.
النقل الكهربائي: من الممكن أيضًا استخدام بطاريات الصوديوم أيون في السيارات، والدراجات الكهربائية، والحافلات الكهربائية لتخزين الطاقة وتشغيل المحركات الكهربائية.
الإضاءة: تعتبر بديلًا جيد لإضاءة الشوارع والمناطق النائية التي لا تصلها الكهرباء.
التطبيقات الطبية: تستخدم في الأجهزة النقالة، وفي أجهزة المراقبة الطبية.

المصادر:

The Future Roadmap for Sodium-Ion Batteries – Blackridge Research.
Sodium and Sodium‐Ion Batteries: 50 Years of Research.
Engineering of sodium-ion batteries: Opportunities and challenges
Sodium Ion Battery

للكهرباء استخدامات عديدة في حياتنا اليومية. فقد جعلت الكهرباء حياتنا أسهل حين وظّفناها واخترعنا الأجهزة الكهربائية المختلفة في المنزل مثل المكنسة الكهربية، التلفاز، الراديو، وغيرهم من الأجهزة. كذلك أصبح بإمكاننا تخزين الطاقة وتحويلها من صور مختلفة لطاقة كهربائية عن طريق البطاريات والمكثفات. بذلك تداخلت علوم الكيمياء والفيزياء وتوصلنا لعلم الكيمياء الكهربائية والكيمياء الكهروتحليلية. لكن هل تسائلت يومًا عما إذا كان بإمكاننا الاستفادة من الكهرباء في علوم الأحياء والعقاقير بطريقة سلمية لعلاج مرض ما مثل التعرق المفرط؟ سوف نتناول في هذا المقال تقنية الإرحال الأيوني المُستخدمة كوسيلة علاج حديثة فعالة.

الإرحال الأيوني – Iontophoresis :

يعتبر الإرحال الأيوني هو إجراء يتم فيه تمرير تيار كهربائي عبر الجلد حيث يتم نقعه في ماء الصنبور للسماح للجسيمات المتأينة أو المشحونة بعبور حاجز الجلد الطبيعي. بذلك تعتبر هذه الطريقة بمثابة تقنية غير جراحية لتوصيل الأدوية محليًا عبر الجلد، وتعتمد على نقل الجزيئات المشحونة باستخدام تيار كهربائي منخفض الكثافة يتم التحكم به عن طريق جهاز الإرحال الأيويي. فإنه يعزز وصول الأدوية والجزيئات الكبيرة إلى الجلد ويقلل التعرق في جميع أنحاء الجلد. كما إنه آمن وفعال وغير مكلف ومفيد للغاية.  [1]

آلية عمل الإرحال الأيوني:

المبدأ الأساسي هو وضع العلاج الأيوني تحت القطب الكهربي بنفس الشحنة. حيث يتم وضع أيون سالب تحت القطب السالب. وحينئذ يُعرف هذا القطب بعد ذلك باسم “القطب النشط“. يعتمد الإرحال الأيوني على التنافر الكهربي. فعند وضع الأدوية سالبة الشحنة على القطب السالب تتنافر هذه الأيونات عن القطب بمجرد تمرير التيار وتتجه لاختراق الجلد. من ثم يتم تمرير تيار مستمر ودفع الأيونات الكهربائية إلى المريض. وبالمثل، يتم إدخال الأدوية موجبة الشحتة عبر الجلد عن طريق وضعها تحت القطب الموجب. 

مما سبق نستنج أن العقاقير المُستخدمة في تقنية الإرحال الأيوني يجب أن تكون متأينة (موجبة أو سالبة الشحنة). وكذلك يجب وضع العقار تحت القطب المشابه له في الشحنة ويُسمى حينها “القطب النشط”. بينما يكون القطب الآخر المعاكس في الشحنة معروفًا باسم “القطب المشتت”  [2].

كيف تطورت تقنية الإرحال الأيوني بتطور التكنولوجيا؟

يرجع الاقتراح الأول لاستخدام التيار الكهربائي في توصيل الدواء إلى منتصف القرن الثامن عشر. بعد ذلك تم إحراز تقدم كبير في القرن التاسع عشر. تمت تجربة استخدام أيونات المعادن وكذلك القلويات في ذلك الوقت. حتى أوائل القرن العشرين، كان توصيل الأدوية يُعرف باسم “الإرحال المهبطي”. لكن حديثًا يتحدث الباحثون عن “توصيل الأدوية عبر الجلد بمساعدة كهربائية”. لم يتم تبني هذه التقنية على نطاق واسع حتى الآن ولكن ثبت دائمًا أنها مفيدة إلى حد ما في حل مشاكل توصيل الدواء.

منذ اثنين وعشرين عامًا، تم تقديم أول نظام لتوصيل الأدوية عبر الجلد في الولايات المتحدة، مما حقق طفرة تاريخية واعدًا بإمكانية توصيل مركبات جديدة بطريقة آمنة ومريحة من خلال الجلد. ومع ذلك، خلال العقدين الماضيين، كان النجاح التجاري للتسليم عبر الجلد بطيئًا في التطور. ولكن مع انتقال مجموعة من المنتجات والتقنيات الجديدة نحو السوق ، يبدو أن توصيل الأدوية عبر الجلد أصبح متاحًا وفعالًا.

استخدمت أول رقعة عبر الجلد يتم تسويقها تجاريًا في أمريكا لإيصال الدواء يسمح للدواء بالانتشار عبر الأدمة اللاوعائية إلى الأدمة العميقة، مما يسمح بالتأثير الموضعي أو الاختراق إلى الشعيرات الدموية لإحداث تأثير نظامي. فقد اعتمد هذا النهج على خصائص الدواء لتسهيل النقل عبر الجلد باستخدام تدرج تركيز بسيط كقوة دافعة. حيث أن هناك عدد قليل من الأدوية المتاحة مع الخصائص الفيزيائية والكيميائية المناسبة لتكون مرشحة جيدة للانتقال عبر الجلد. لكن التقدم في البحث أدى إلى فهم أفضل لفسيولوجيا الجلد ومزيد من الإلمام بخصائص نقل الدواء [2].

كيف يُستخدم الإرحال الأيوني لعلاج فرط التعرق؟

يجلس المريض بكلتا يديه أو قدميه، أو يد واحدة وقدم واحدة، مغمورة في صواني ضحلة مملوءة بماء الصنبور لفترة قصيرة من الزمن مضافًا إليه بعض المواد العلاجية الأيونية. سوف يرسل الجهاز تيارًا كهربائيًا صغيرًا عبر الماء. أولًا يجب تكرار الإجراء ثلاث مرات في الأسبوع حتى يتم تحقيق النتائج المرجوة. بمجرد الوصول إلى الجفاف أو النتيجة المرضية، يتم عادة تزويد المرضى بالعلاج مرة واحدة في الأسبوع. سوف يستغرق العلاج حوالي 15 إلى 40 دقيقة حسب الجهاز. بعض الحالات يجب أن تتحسن لأشهر بعد علاج واحد وبعض الحالات تتطلب تكرار العلاج في أقل من أربعة إلى ستة أسابيع [3].

ما هي مميزات الإرحال الأيوني؟

1.      عند مقارنتها بالحقن:

• ألم أقل ولا غزو.
• يقلل من حوادث الإبرة.
• يسمح بتوصيل الدواء عن طريق ملامسة الجلد فقط.
• يمكن استخدامها خارج المستشفى

2.      عند مقارنتها بالحبوب

• يقلل الوقت المحدد.
• التخفيف من الآثار الثانوية.
• كما أن في العلاج بالحبوب، من الممكن أن تفقد الأدوية فعاليتها في الجهاز الهضمي.

3.      عند المقارنة باللاصقات الطبية

• تقصير الوقت المحدد.
• يمكن توصيل الأدوية بشكل كمي.
• يقلل من كمية الدواء المتبقية.

هكذا ثبت أن العديد من العوامل تؤثر على نتائج الإرحال الأيوني. وتشمل هذه الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمركب (الحجم الجزيئي ، الشحنة ، التركيز) ، تركيب الدواء (أنواع المركبات ، المخزن المؤقت ، الأس الهيدروجيني ، اللزوجة ، وجود أيونات أخرى) ، المعدات المستخدمة (النطاق الحالي المتاح ، التيار الثابت مقابل التيار النبضي ، نوع القطب الكهربائي)، والتغيرات البيولوجية (موقع الجلد ، وتدفق الدم الإقليمي ، والعمر ، والجنس)، ودرجة حرارة الجلد ومدة الإرحال الأيوني. فبالرغم من تقدم العلوم والتكنولوجيا، ما زالت تقنية الإرحال الأيوني محل دراسة ويسعى العلماء حثيثًا لتطويرها لما لها من مميزات مقارنة بالطرق العلاجية الأخرى [2].

تتوفر اللاصقات التقليدية عبر الجلد منذ أكثر من 20 عامًا لكن مع هذه التقنيات الجديدة، سيزداد عدد وتعقيد أنظمة توصيل الأدوية عبر الجلد في المستقبل القريب. سيكون الصيادلة الذين أصبحوا على دراية بهذه التقنيات أكثر قدرة على معالجة أسئلة المرضى ومخاوفهم.

المصادر:

1. Basics of Iontophoresis [+ Example Calculations] | Catalyst University

2. Transdermal Delivery by Iontophoresis | Indian J Pharm Sci

3. Iontophoresis | physio-pedia

تُستخدم العديد من التقنيات الكهروكيميائية لقياس النشاط الكهروكيميائي للمواد المختلفة. قد تكون التجارب لقياس التيار الناتج عند تطبيق مدى واسعة من الجهد الكهربي أو قياس الجهد الكهربي الناتج من تطبيق تيار كهربي على القطب. في هذا المقال، سنناقش الخلية المستخدمة لمثل هذه التقنيات، ألا وهي الخلية الكهروكيميائية ثلاثية القطب The 3-electrode cell.

مم تتكون الخلية الكهروكيميائية ثلاثية الأقطاب؟

الخلية الكهروكيميائية ثلاثية القطب هي عبارة عن دائرة كهربية من ثلاثة أقطاب متصلة معًا حيث يتم التحكم بها من خلال جهاز التحكم في الجهد -potentiostat. ولذلك تُستخدم لقياس النشاط الكهروكيميائي للأقطاب (نصف خلية). تتكون الخلية من ثلاثة أقطاب:

 1. قطب العمل- Working Electrode (WE)

قطب العمل هو القطب المستخدم لدراسة المادة النشطة كهروكيميائيًا. يتم تطبيق جهد ثابت أو مدى واسع من الجهد الكهربي على قطب العمل للتحاليل الكهروكيميائية المختلفة لدراسة نشاط وتفاعلات المادة محل الدراسة. نتيجة لذلك تحدث تفاعلات الأكسدة والاختزال عند تطبيق الجهد/ التيار الكهربي. يتكون قطب العمل غالبًا من طبقات من المواد الصلبة مُرسبة على ألواح معدنية مثل النحاس أو الألمونيوم–  Al or Cu sheet أو الكربون الزجاجي- Glassy Carbon (GC) أو قطب الزئبق المتساقط – Dropping Mercury Electrode (DME) لدراسة المحاليل السائلة.

2. القطب المرجعي- Reference Electrode (RE)

يلعب القطب المرجعي دورًا هامًا كمرجع في القياس والتحكم في الجهد الكهربي للقطب العامل، دون تمرير أي تيار حيث أن القطب المرجعي له جهد ثبات. لذلك يتم قياس وتطبيق الجهد الكهربي في الدائرة الكهربية بناء على جهد القطب المرجعي. علاوة على ذلك، تختلف قيمة جهد القطب المرجعي باختلاف المادة المكونة للقطب لذا من الضروري أن تكون الأقطاب المرجعية مستقرة كيميائيًا مما يحافظ على قيمة الجهد لفترة طويلة في الأوساط المختلفة. على سبيل المثال، من أهم الأقطاب المرجعية المُستخدمة في الكيمياء الكهربية:

3. القطب المساعد- Counter Electrode (CE)

تتركز أهمية القطب المساعد في الخلية ثلاثية الأقطاب في غلق الدائرة الكهربية وذلك عن طريق تطبيق جهد معاكس للجهد المُطبَّق على جهد قطب العمل. بينما يتم أكسدة القطب العامل، يحدث اختزال على القطب المساعد والعكس صحيح. هكذا يتم غلق الدائرة الكهربية وغلق مسار حركة الإلكترونات مما يسبب مرور تيار كهربي يمكن قياسه وتحليله لدراسة المادة الفعالة. لذلك يكون الدور الأهم للقطب المساعد هو تمرير كل التيار اللازم لموازنة التيار الذي لوحظ في القطب العامل.

من الجدير بالذكر أنه يتم استخدام أقطاب مساعدة مصنوعة من مواد موصلة للكهرباء لكنها خاملة كهروكيميائيًا كالذهب والبلاتينوم حتى لا يحدث أي تداخل للتفاعلات الكهروكيميائية الخاصة بالمادة الفعالة. كما من الضروري استخدام قطب مساعد بمساحة سطح كبيرة نسبيًا مقارنة بمساحة سطح قطب العمل للتأكد من تكافؤ سرعات التفاعلات الكهروكيميائية على القطبين.

ما أهمية الخلية الكهروكيميائية ثلاثية الأقطاب؟

تتمثل أهمية الخلية المُعدة من ثلاثة أقطاب في إمكانية عزل التفاعل الحادث عند القطب الكهربي العامل فقط. من أجل دراسة تفاعلات المادة الفعالة، يلزم عزل التفاعل عند القطب الكهربي العامل، وذلك عن طريق إدخال القطب المرجعي، أي القطب الثالث. لذلك يحتوي هذا القطب على جهد كهربي محدد ولا يمر أي تيار من خلال القطب المرجعي أثناء القياسات بحيث يكون الجهد ثابتًا. من خلال هذا الإعداد، يمكن للمرء ضبط الجهد بين قطب العمل والقطب المرجعي مع ترك التيار يمر بين القطب العامل والقطب المساعد. نتيجة لذلك، يكون قادرًا على دراسة التفاعل فقط عند القطب العامل دون أي تأثير من تفاعل القطب الكهربي المضاد.

عم تختلف الخلية الكهروكيميائية ثلاثية القطب عن ثنائية القطب؟

لدراسة سلوك المادة على سطح القطب/الإلكتروليت، نحتاج إلى مراقبة كل من الجهد والتيار. وذلك عن طريق وضع القطب العامل في محلول إلكتروليتي وإخراج النظام من توازنه. يمكن القيام بذلك عن طريق استقطاب القطب إما كاثوديًا أو أنوديًا عن طريق تطبيق الجهد أو التيار على القطب العامل. من أجل تطبيق الجهد، نحتاج إلى قطب مرجعي ذي جهد كهربي ثابت. بعد تطبيق الجهد، يتعين علينا تسجيل تأثير اضطراب النظام الكهربي. للقيام بذلك، يتعين علينا تسجيل التيار الذي تطور عبر القطب العامل وبعض الأقطاب الكهربائية الأخرى. لذلك نحن بحاجة إلى قطب كهربي ثالث يسمى القطب المساعد. أهم دور للقطب المساعد هو إكمال الدائرة لحمل التيار. لذا من أجل دراسة السلوك الكهروكيميائي للتحليل باستخدام تقنيات كهروكيميائية مثل التقنيات الفولتمترية وما إلى ذلك، يجب أن نستخدم نظام الأقطاب الثلاثة بدلاً من نظام ثنائي القطب.

إذا قمت بتشغيل إعداد ثنائي القطب، فأنت تقوم بتعيين جهد أو تيار بين قطب العمل والمساعد. في هذا الإعداد، تكون الاستجابة المُقاسة عبارة عن مزيج من الاستجابة على قطب العمل القطب المساعد.

المصادر

1.  Gamry | Two, Three and Four Electrode Experiments
2. Zensor |  Electrochemical System

على الرغم من أن السعة التخزينة للبطاريات تفوق سعة المكثفات إلا أن تلك الميزة هي سلاح ذو حدين. لا يمكن استخدام البطاريات في الأجهزة التي تتطلب كمية كبيرة من الطاقة لحظيًا كما أنها تمتلك فترة عمر أقصر. وعلى صعيد آخر، تتميز المكثفات بمعدل عالٍ لتفريغ الطاقة لحظيًا لكنها تفتقر للسعة التخزينية الهائلة كما في البطاريات. أيضًا من أهم ما يميز المكثفات هي طول فترة عمرها وإمكانية إعادة الشحن والتفريغ لمرات عديدة بكفاءة عالية. لملء الفجوة بين المكثفات والبطاريات والوصول لمعدل تفريغ طاقة عالٍ بسعة تخزينة كبيرة توصل العلماء لاختراع المكثفات فائقة التوصيل الكهربي-[1] Supercapacitor or Ultracapacitor. في هذا المقال سنتعرف ماهية المكثفات فائقة التوصيل وأنواعها وتطبيقاتها وكذلك التحديات التى تواجهها كجيل جديد لتخزين الطاقة.

ما هي المكثفات الفائقة؟

المكثفات الفائقة هي أحد أجهزة تخزين الطاقة. إنه جهاز يجمع بعض صفات المكثفات التقليدية والبطاريات القابلة لإعادة الشحن. يخزن الطاقة من خلال تكوين طبقة مزدوجة من الشحنات على قطبي المكثف الفائق أو من خلال التفاعلات الكهروكيميائية للمواد الفعّالة المكونة للأقطاب[1,2] .

يختلف المكثف الفائق من حيث السعة التخزينية العالية جدًا مقارنة بالمكثف العادي. يخزن المكثف العادي الطاقة عن طريق تخزين شحنة ثابتة بدلاً من تفاعل كهروكيميائي. وذلك عن طريق تطبيق فرق الجهد على قطبي موصلي الكهرباء الموجب والسالب إلى شحن المكثف. هذا مشابه لتراكم الشحنات الكهربائية عند المشي على السجادة أو الاحتكاك بجسم خشن. فيحتفظ جسدك بكهرباء إلكتروستاتيكية. ممايؤدي في حالة لمس جسم ما إلى إطلاق الطاقة من خلال الإصبع مثلًا.

كيف تطورت المكثفات الفائقة؟

اقترح الفيزيائي الألماني هيلمهولتز عام 1879 مكثفًا فائقًا يخزن الطاقة عن طريق استقطاب الإلكتروليتات. بحلول عام 1957، تقدم أمريكي يدعى بيكر بطلب للحصول على براءة اختراع لمكثف كهروكيميائي. قام باستخدام الكربون المُنشط مع مساحة سطح محددة عالية كمواد قطب كهربائي.

ثم في عام 1962، أنتجت شركة Standard Oil Company (SOHIO) مكثفًا فائقًا بقوة 6 فولت مع الكربون المنشط. ثم في عام 1979، بدأ إنتاج المكثفات الفائقة كتطبيق تجاري واسع النطاق. مع التقدم المستمر للتقنيات الرئيسية في المواد والعمليات، والتحسين المستمر لجودة المنتج وأدائه، بدأت المكثفات الفائقة في دخول فترة التطوير. وتستخدم حاليًا على نطاق واسع في الصناعة وفي مجال الأجهزة المنزلية. مما أدى إلى تكثيف جهود العديد من الباحثين لأكثر من 100 عام. حتى الآن، تم تحسين الأداء باستمرار. ونتطلع إلى استخدام المكثفات الفائقة بأداء أفضل في المستقبل [2].

ما هي أنواع المكثفات الفائقة تبعًا لآليات تخزين الطاقة ؟

1. مكثفات الطبقة المزدوجة الكهربية Electrical Double Layer Capacitor (EDLC)

تعتمد على تكوين طبقة مزدوجة من الشحنات. الطبقة الأولى هي شحنة الجسم. والطبقة الثانية تكونت نتيجة تجاذب الأيونات المخالفة للجسم في الشنحة كما يحدث في شكل 1A الذي يمثل مادة كربونية. وكذلك شكل 1B الذي يمثل مادة كربونية مسامية كما يحدث في المكثفات. وتُعتبر المواد الكربونية (جرافين، أنابيب الكربون النانوية، مشتقات كربيد الكربون، الكربون النشط، إلخ) من أهم المواد التي تعتمد على هذه الآلية في تخزين الطاقة[1].

2. مكثفات كاذبة Pseudocapacitor (PC)

يتم تخزين الطاقة من خلال تفاعلات كهروكيميائية بين المواد المكونة للقطب والالكتروليت المحيط به كما في الشكل1C  والذي يفسر تخزين الطاقة في البطاريات. وهناك أيضا آلية حركة/إقحام أيونات المحلول الإلكتروليتي  في مسامات الأقطاب الكهربية. ينشأ عن ذلك تيار كهربي نتيجة حركة الأيونات/الإلكترونات من وإلى المحلول الإلكتروليتي والمادة النشطة للقطبين (شكل 1D). وتُعد هذه أحد أشهر آليات التخزين عند استخدام موصلات مسامية كفوم المعادن الانتقالية. وأيضًا مركبات العناصر الانتقالية (أكاسيد، نيترات، فوسفات، نتريد، كربيد العناصر الانتقالية) مواد نشطة كهروكيميائيًا يمكنها إنتاج كمية كبيرة من الطاقة عن طريق عمليات الأكسدة والاختزال الانعكاسية Reversible redox reactions [1].

3. مكثفات هجينة Hybrid Supercapacitors:

تعتمد المكثفات الهجينة على آليات التخزين المختلفة معًا. فيقوم أحد القطبين بتخزين الطاقة عن طريق تكوين طبقة مزودجة من الشحنات بينما القطب الآخر يعتمد على آلية التفاعلات الكهروكيميائية. تتميز هذه المكثفات بأنها تعمل في مدى أوسع من جهد التشغيل من النوعين السابقين. كما أنها تعتمد على آليات تخزين مختلفة مما يزيد من فترة عمرها [1].

شكل 1:  (A) مادة كربونية، (B) مادة كربونية مسامية، (C)  مادة نشطة للتفاعلات الكهروكيميائية، (D) إقحام الأيونات المحلول الإلكتروليتي في مادة القطب [1]

ما أهم مميزات المكثفات فائقة التوصيل الكهربي؟

ما يميز المكثفات الفائقة هو قدرتها على تخزين الطاقة بكل الآليات الممكنة مما يجعلها الجيل الجديد من أجهزة تخزين الطاقة. فيمكن تعديد مميزات المكثفات فائقة التوصيل عن البطاريات والمكثفات العادية، في النقاط التالية [3,4]:

1. سعة تخزين أعلى بمئات المرات من المكثفات العادية. وذلك لقدرتها على تخزين الطاقة بالطرق المختلفة السابقة وليس عن طريق تكوين طبقة مزدوجة من الشحنات أو التفاعلات الكهروكيميائية فقط.
2. القدرة على تفريغ الطاقة بمعدل أعلى من البطاريات حيث أن طبقة الشحنات المزدوجة تعمل على تفريغ طاقتها في وقت قصير. وأيضًا آلية إقحام الأيونات والإلكترونات تولد تيار كهربي نتيجة حركة الجسيمات السريعة. تلك من أهم مميزات المكثفات الفائقة مما جعل العلماء يعملون على تطويرها لاستخدامها في مكابح السيارات الكهربية وغيرها من الأجهزة الكهربية الحديثة.
3. يمكن إعادة شحن الأجهزة آلاف المرات دون أي فقد في السعة التخزينة أو معدل التفريغ.

ما تطبيقات المكثفات الفائقة؟

يمكن استخدام المكثفات فائقة التوصيل في التطبيقات التي تتطلب شحن/تفريغ سريع للطاقة كمكابح السيارات الكهربية وأجهزة توليد الطاقة المتجددة ورادارات الطرق. بينما تُستخدم البطاريات في الأجهزة التي تتطلب توليد الطاقة على المدى الطويل كبطارية الهاتف المحمول والبطاريات المنزلية. وأيضا تُستخدم المكثفات الفائقة في التحكم في ضغط الكهرباء القطارات الكهربية  أثناء تخفيض سرعتها لتقليل استهلاك الطاقة [5].

ما التحديات التي تواجه المكثفات فائقة التوصيل؟

تستخدم المكثفات الفائقة على نطاق واسع في النقل والصناعة والجيش والإلكترونيات الاستهلاكية وغيرها من المجالات بسبب خصائصها الممتازة. ومع ذلك، فإن هذه الأجهزة بها بعض أوجه القصور. يتم وصف المشكلات الحالية التي تحتاج إلى حل بشكل أساسي في الجوانب الأربعة التالية [6] :

1. المشاكل الفنية للمكثفات الفائقة:

كثافة الطاقة للمكثفات الفائقة ليست عالية جدًا. في الوقت الحالي، لا تزال هناك فجوة معينة بين المكثفات الفائقة والبطاريات من حيث كثافات الطاقة. ولا تزال كيفية تحسين كثافة الطاقة هي محور البحث وصعوبته. يمكن تعزيز كثافة الطاقة عن طريق زيادة مساحة السطح الفعالة لمواد الأقطاب في المكثفات ذات الطبقة المزدوجة أو زيادة نافذة جهد التشغيل أو كليهما. يتم إجراء المزيد من الأبحاث لتطوير مواد جديدة ذات مساحة سطح عالية واستخدام إلكتروليتات عضوية مناسبة يمكن أن تتحمل نافذة جهد أكبر. إذا تمت معالجة هذه الامتدادات بشكل صحيح ، يمكن أن تصبح كثافة الطاقة للمكثفات الفائقة مماثلة للبطاريات.

2. كشف الثبات والاتساق:

نافذة الجهد للمكثف الفائق منخفض (أقل من 2.7 فولت)، الأمر الذي يتطلب الكثير من التوصيلات المتسلسلة للتطبيقات العملية. نظرًا للحاجة إلى شحن وتفريغ عاليين في التطبيقات، فإن الشحن الزائد له تأثير خطير على عمر المكثفات. فمن المهم جدًا ما إذا كانت الفولتية على المكثفات الفردية في السلسلة متسقة أم لا.

3.المعيار الصناعي:

كجهاز جديد لتخزين الطاقة، لا يمكن فصل التطوير الصحي للمكثفات الفائقة عن الصناعة والإشراف على السوق. تهدف مجموعة من الأنظمة القياسية التقنية إلى صياغة معايير الصناعة العملية، والمعايير الوطنية، وحتى المعايير الدولية. على سبيل المثال، المصطلحات وطريقة تسمية نموذج التصنيف وطريقة اختبار الأداء الكهربائي والمتطلبات الفنية للسلامة والمواصفات العامة ومواصفات مادة القطب الكهربائي ومواصفات الإلكتروليت وسلسلة مواصفات الشاحن والمتطلبات الفنية للإنتاج ومتطلبات النقل والاسترداد ويجب وضع متطلبات تدمير المكثفات الفائقة. وأيضًا معايير أخرى تهدف إلى توجيه وتوحيد صناعة المكثفات الفائقة لتحقيق هدف التخلص من إعادة التدوير الأخضر بتكلفة منخفضة. إنها وسيلة ضرورية لتعزيز التنمية الصحية للصناعة.

المراجع:

1. Science | Where Do Batteries End and Supercapacitors Begin? .
2. JEC| The History Of Supercapacitors
3. Chemical Reviews | Pseudocapacitance: From Fundamental Understanding to High Power Energy Storage Materials
4. Batteryuniversity | How does a Supercapacitor Work?
5. Encyclopedia | Supercapacitor Applications and Developments
6. APL Materials | Challenges and opportunities for supercapacitors

منذ اكتشاف النشاط الإشعاعي على يد هنري بيكيريل سنة 1896، بدأت تتولى تطبيقات هذا الاكتشاف. وقد استغل العلماء المواد المشعة الموجودة في الطبيعة في عملية التأريخ، حيث ظهرت عدة طرق لتأريخ مختلف أنواع الأجسام في الطبيعة. فما هو التأريخ الإشعاعي؟ وماهي أهم الطرق المستخدمة فيه؟

ما هو التأريخ الإشعاعي؟

من أجل فهم تاريخ الحضارات الإنسانية الغابرة، يستعمل العلماء طرقا مختلفة في تقدير عمر الصخور والتحف التي تعود لهذه الحضارات. وتعتبر المواد المشعة من أدق الوسائل التي قد تستعمل لهذا الغرض. وهذا ما يعرف بالتأريخ الإشعاعي، حيث تُستغَلُّ ظاهرة النشاط الإشعاعي لبعض المواد من أجل تحديد عمر الصخور والعظام والخشب وغيرها [1].

ومن أجل تأريخ عمر أحد الأجسام إشعاعيًا، يُشترط أن يحتفظ هذا الجسم بمادة مشعة داخله منذ تشكله إلى لحظة القيام بعملية التأريخ. وبحساب نسبة المادة المشعة التي تحللت إلى تلك التي لم تتحلل، يمكن تحديد عمر الجسم الذي يختزن هذه المادة المشعة [1].

حيث تمثل p₁ كمية المادة المشعة لحظة تشكل الجسم وتمثل p₂ كمية المادة المشعة عند لحظة التأريخ. أما λ فتمثل ثابت الانحلال الإشعاعي لهذه المادة المشعة.

كيف يعمل التأريخ الإشعاعي؟

يُؤرَّخ عمر الأشياء إشعاعيًا بحساب نسب النظائر المشعة فيها. فمن أجل تقدير عمر صخرة بركانية مثلًا، ننتقي مجموعة النظائر المشعة التي نجحت الصخرة في تخزينها، منذ تشكلها إلى وقتنا الحالي. ونقيس نسبة النظائر، التي لم تتحلل إشعاعيًا بعد، إلى العدد الأصلي، الذي كان أثناء تشكل الصخرة. وتمثل هذه النسبة عمر الصخرة [1].

وتختزن الأجسام الموجودة في الطبيعة المواد المشعة داخلها بعدة طرق. فمن المواد المشعة من يدخل في تركيبة جسم ما عن طريق التفاعلات النووية الطبيعية، التي تحدث بين الأشعة الكونية الآتية من الفضاء الخارجي وهذا الجسم. ومن المواد المشعة ما ينتج عن تحلل مادة مشعة إلى أخرى. ومنها ما يتسلل داخل الجسم  بتوغل عنصر كيميائي مع نظائره المشعة داخل بنية الجسم [1].

وتعد تركيبة النظائر المشعة داخل عينة طبيعية ما (صخرة أو عظم أوغيرها) لسانًا يتكلم بالأحداث التي مرت بها هذه العينة منذ تشكلها. فاختلال أحد النسب في أحد الصخور مثلا، يمَكن  من التنبأ بالظروف المناخية التي مرت بها الصخرة [1].      

أهم طرق الـتأريخ الإشعاعي

تختلف طرق التأريخ الإشعاعي حسب العنصر المشع المستعمل في عملية التأريخ. ومن بين أشهر هذه الطرق، نجد طريقة البوتاسيوم-أرجون وطريقة اليورانيوم-الرصاص وطريقة الكربون المشع. ويحدد العلماء نوع الطريقة الذي سيستعمل في عملية التأريخ حسب نوع العينة. فالمعادن الغنية بالبوتاسيوم تعتمد طريقة البوتاسيوم-أرجون. وتُؤرَّخ بقايا الكائنات الحية (الخشب والعظام) بطريقة الكربون المشع. بينما، تحتاج الصخور، التي تشكلت مع تشكل النظام الشمسي في تحديد عمرها إلى استعمال طريقة اليورانيوم-الرصاص [2].

1- طريقة البوتاسيوم-أرغون في التأريخ الإشعاعي

تعتمد طريقة البوتاسيوم-أرجون على تحلل البوتاسيوم-40 المشع إلى الأرغون-40. ويستعمل في تأريخ المعادن القديمة التي تحتوي على البوتاسيوم، والتي تتميز بوجود فائض من الأرغون-40.  يتحلل البوتاسيوم-40 إلى الأرغون-40 بشكل أساسي عن طريق ظاهرة «التقاط الإلكترون-Electron capture». وبفضل قانون النشاط الإشعاعي، يمكن استنتاج المدة الزمنية التي بدأت عملية التحلل، وبالتالي عمر المعدن المراد تأريخه [2].

حيث تمثل كل من [⁴⁰Ar] و[⁴⁰K] كميتي الأرغون-40 والبوتاسيوم-40 في اللحظة t. وتمثل λ_EC ثابت التحلل الإشعاعي لتحلل البوتاسيوم-40 إلى الأرغون-40، وتمثل λ ثابت التحلل الإشعاعي الكلي لتحلل البوتاسيوم-40.

ويقوم استعمال هذه الطريقة على فرضيتين. أولاهما، أن العينة المراد تأريخها عبارة عن نظام مغلق، أي أن العينة لم تستقبل أو تُسرب أيا من المادة المشعة (البوتاسيوم-40) أوالمادة الناتجة عن التحلل (الأرغون-40) بعد تشكلها. وأخراهما، أن العينة لا تحتوي أي كمية من الأرغون-40 بعد تشكلها. ونظرا لصعوبة تحقق هاتين النظريتين بشكل كامل، فإن وضع بعض التصحيحات ضروري للحصول على عمر العينة بدقة كافية [2].

وعلى الرغم من التصحيحات، فإن التغيرات الطقسية، من ضغط وحرارة، قد تؤدي إلى فقدان أو زيادة في الأرغون-40 داخل العينة، وبالتالي تقديرات خاطئة لعمرها. لذلك، تُؤرَّخ بهذه الطريقة الصخور القادرة على تحمل الظروف المناخية القاسية، كالصخور البركانية مثلًا [2].

2- طريقة الكربون المشع في التأريخ الإشعاعي

تستعمل طريقة الكربون المشعة في تأريخ عمر بقايا الكائنات الحية. وتقوم على تحلل الكربون المشع الموجود في هذه الكائنات. ينتج الكربون المشع عن تفاعل الأشعة الكونية، الآتية من الفضاء الخارجي، مع ذرات النيتروجين الموجودة في الهواء. ويدخل في تركيب ثنائي أكسيد الكربون، الذي يدخل بدوره في تركيب الكائنات الحية. يظل الكربون المشع يتراكم داخل الكائنات الحية حتى يصل إلى حد ثابت. يمثل هذا الحد حالة تكافؤ بين الكربون المشع الداخل إلى الجسم وذلك المتحلل إشعاعيًا. عند موت الكائن الحي، يتوقف دخول الكربون إلى الجسم، فيختل التوازن بين الكربون المتكون والمختفي. هكذا، يبدأ الكربون المشع، داخل الكائن، يتناقص تدريجيا بالتحلل الإشعاعي. ويحدد عمر الكائن من  النسبة بين كمية الكربون المشع عند موت الكائن وكميته أثناء عملية التأريخ [2].

حيث تمثل λ ثابت التحلل الإشعاعي للكربون المشع، وتمثل A₀ النشاط الإشعاعي للكربون المشع في العينة لحظة موتها، وتمثل A النشاط الإشعاعي للكربون المشعي في اللحظة  t، أي لحظة القيام بالتأريخ.

وللتأريخ بطريقة الكربون المشع، نفترض أن العينة غير ملوثة بالكربون المشعة الناتج عن التجارب النووية أو غيرها من المصادر للصناعية للكربون المشع. ويتم إدخال بعض التصحيحات للحصول على نتائج أكثر دقة، حيث يجب الأخذ بعين الاعتبار تغير نسبة الكربون المشع في الغلاف الجوي عبر الزمن. وتتنوع المواد التي يمكن تأريخها بهذه الطريقة من الفحم والخشب إلى الحبوب والبذور وغيرها[2].

وقد استعملت طريقة الكربون المشع في تأريخ أثاث الفرعون زوسر الموجود في مدينة سقارة المصرية. من أجل القيام عملية القياس، أخذ العلماء 20 غراما من خشب الأثاث الفرعوني. ثم قاسوا كمية الكربون الموجود في قطعة الخشب باستخدام عداد لقياس النشاط الإشعاعي. فكان العمر المقدَّر هو 2330 سنة قبل الميلاد بهامش خطأ يقدر بـ 350 سنة. بعد تطور أدوات القياس، تم تأريخ القطعة مجددًا يشكل أكثر دقة، فقُدِّر عمرها بـ 4115 سنة قبل الميلاد مع هامش خطأ بحوالي 34 سنة [2].  

3- طريقة اليورانيوم-الثوريوم-الرصاص في التأريخ الإشعاعي

تستخدم طريقة اليورانيوم-الثوريوم-الرصاص نظائر اليورانيوم والثوريوم المشعة، التي تتحول بعد سلسلة من التحللات الإشعاعية إلى نظائر مستقرة للرصاص، في عملية التأريخ الإشعاعي. وتتميز هذه الطريقة بوجود ثلاث سلاسل للتحلل، حيث يتحول كل من اليورانيوم-238 واليورانيوم-235 والثوريوم-232 إلى الرصاص-206 والرصاص-207 والرصاص-208، على التوالي. وهكذا، يمكننا من حساب عمر نفس الصخرة بثلاث سلاسل مختلفة، والتي يجب أن تعطي نفس العمر في الحالة المثلى. بالإضافة إلى هذا، تسمح هذه الطريقة بحساب عمر الصخرة دون الحاجة إلى معرفة كمية نظيري اليورانيوم ²³⁵U و²³⁸U، حيث يتم الاستعاضة عنها بنسبة اليورانيوم-235 إلى اليورانيوم-238 (تساوي 1/137.88).  لهذا، تعتبر هذه الطريقة أكثر الطرق دقة، حيث يصل مستوى الدقة فيها إلى (1/10,000) من عمر العينة. لكن هذا، لا يعني أن النتائج تكون دائمًا دقيقة، فقد يؤثر تسرب الرصاص خارج العينة على القياسات [2][3].

ورغم وجود نظائر اليورانيوم والثوريوم في كثير من المعادن، إلا أنه لا يمكن تطبيق طريقة اليورانيوم-الثوريوم-الرصاص إلا على تلك القادرة على الاحتفاظ بهذه نظائر. بالإضافة إلى هذا، يجب ألا يقل عمر العينة عن المليون سنة [2][3].

المصادر

[1] Radioactivity and Radiometric Dating

[2] Radioactive Dating Methods

[3] Uranium–Lead Dating 

منذ الثورة الصناعية، اعتمد العالم على الوقود الأحفوري رغم ما يسببه من انبعاثات لغاز ثاني أكسيد الكربون، المعروف كأحد أخطر الغازات الحبيسة. ومن المتوقع نضوب الوقود الأحفوري بحلول عام 2050، لذا يتجه العلماء لتوفير طاقة نظيفة مثل الخلايا الشمسية أو وقود الهيدروجين. ولضمان استمرارية وتطوير إنتاج الطاقة النظيفة، نحتاج إلى أجهزة تخزين الطاقة ومن أشهرها البطاريات والمكثفات. البطارية تخزن الطاقة عن طريق تحويل الطاقة الكيميائية لكهربية بواسطة عمليات الأكسدة والاختزال مما يوفر مرور تيار كهربي يُستخدم في تشغيل مختلف الأجهزة الكهربائية. ولكن ما هو المكثف وكيف يعمل؟

يعمل المكثف على تخزين الطاقة في صورة مجال كهربي. والاختلاف الجوهري بين المكثفات والبطاريات يكمن في آلية تخزين الطاقة، وما يترتب على ذلك من خصائص لكل منهما [1] .

اختراع المكثف الكهربي

يعتبر أول من اخترع المكثف هو «بيتر فان موشنبروك- Pieter van Musschenbroek» عام 1746 في جامعة ليدن في هولندا باستخدام «جرة ليدن-Leyden jar».  وجرة ليدن هي عبارة عن جرة زجاجية ملفوفة من الداخل والخارج بورق معدني رفيع. تم توصيل الرقاقة الخارجية بالأرض، وتم توصيل الرقاقة الداخلية بمصدر للكهرباء [2].

صورة جرة ليدن من موقع متحف الفيزياء لجامعة كوينزلاند الأسترالية

على الرغم من عدم فهم كيفية عملها في ذلك الوقت، اكتشف بيتر أن الجرة تخزن شحنة كهربائية حتى بعد فصلها عن المولد. ومثل العديد من الأجهزة الكهربائية المبكرة، لم يكن هناك استخدام خاص لجرة ليدن في البداية. لكن اليوم ومع تطور العلوم والتكنولوجيا أصبحت المكثفات وما ترتب عليها من تطورات جزء لا يتجزأ من اختيارات تخزين الطاقة.

مم يتكون المكثف؟

المكثف هو جهاز يتكون من موصلين للكهرباء بينهما مادة عازلة. يقوم المكثف بتخزين الطاقة الكهربية الساكنة في صورة مجال كهربي. ويعتمد المكثف على المجال الكهربي الناتج عن اختلاف الشحنات على الموصلين. وبسبب الاعتماد الكلي على التجاذب الكهربي بين الشحنات، تُستخدم المكثفات في مواضع كثيرة تحتاج التفريغ السريع اللحظي لكمية ما من الطاقة مثل وامض الهاتف المحمول (فلاش الكاميرات) [3].

تصميم تخطيطي لأول مكثف (جرة ليدن)            

صورة توضيحية لأبسط مكونات المكثف

آلية تخزين المكثفات للطاقة

تخزن المكثفات الطاقة الكهربائية على شكل شحنة كهربائية متراكمة على ألواحها. وعندما يتصل المكثف بمصدر طاقة، تتراكم الشحنات على الألواح ومن ثم يمكن إطلاقها عند فصل المكثف عن مصدر الشحن عند الحاجة. ويمكنك شحن مكثف ببساطة عن طريق توصيله بدائرة كهربائية. وعند تشغيل الطاقة، تتراكم الشحنة الكهربائية مجددًا تدريجياً على الألواح. ويكتسب إحدى اللوحين شحنة موجبة، بينما يكتسب اللوح الآخر شحنة متساوية ومعاكسة (سالبة).

إذا فصلت الطاقة، فسيحتفظ المكثف بشحنته لكنه سيفقدها ببطء مع مرور الوقت، لكن إذا قمت بتوصيل المكثف بدائرة ثانية تحتوي على شيء مثل محرك كهربائي أو مصباح، ستتدفق الشحنة من المكثف عبر المحرك أو المصباح حتى لا يتبقى أي شيء على الألواح. على هذا النحو، تصبح المكثفات قادرة على إطلاق الطاقة المخزنة بمعدل أعلى بكثير من البطاريات، لأن العمليات الكيميائية في البطاريات تحتاج إلى مزيد من الوقت لتحدث[3] .

أوجه الاختلاف بين البطاريات والمكثفات

1. تعتمد البطاريات في تخزينها على التفاعلات الكهروكيميائية الحادثة داخل الخلية بينما تخزن المكثفات الطاقة في صورة مجال كهربي بين قطبي الجهاز.
2. تستطيع البطاريات تخزين أضعاف كمية الكهرباء المُخزنة في المكثفات. كما تقوم البطاريات بتفريغ الطاقة المخزنة بجهد ثابت لفترة طويلة، ولكن لا يمكن تفريغها لحظيًا.
3. تقوم البطاريات بتفريغ طاقتها في وقت أطول من المكثفات، حيث تستطيع البطاريات تخزين كمية هائلة من الطاقة مقارنة بالمكثفات وذلك بفضل العمليات الكهروكيميائية.

فيم تتميز المكثفات عن البطاريات؟

تتميز المكثفات بفترة عمر أطول كثيرًا -تُقدر بالسنين- من البطاريات. والأهم من ذلك أنه يمكن إعادة شحنها مرارًا وتكرارًا دون فقد أي طاقة مخزنة. وذلك لأن المكثف يعتمد على تخزين الطاقة في صورة مجال كهربي. على صعيد آخر يحدث تآكل للمواد الكيميائية المكونة للبطاريات، وبالتالي لا يمكن إعادة شحنها إلا مرات محدودة إذا أمكن ذلك، ولكن يوجد أنواع بطاريات لا يمكن إعادة شحنها [4].

 هل يوجد جهاز يدمج بين ميزات البطارية والمكثف؟

نعم، إنه الجيل الجديد من أجهزة تخزين الطاقة ويعرف بالمكثفات فائقة التوصيل. ويعتمد المكثف فائق التوصيل في تخزينه للكهرباء على آليتي التخزين: تحويل الطاقة الكيميائية لطاقة كهربية، وتخزين الطاقة الكهربية الساكنة بين القطبين في صورة مجال كهربي [4,5].

تطبيقات المكثفات

هناك العديد من التطبيقات التي تستخدم المكثفات كمصادر للطاقة. إذ تُستخدم المكثفات في أجهزة الراديو لضبط التردد المطلوب، وفي المنازل أيضا لتحويل التيار المتردد لتيار مستمر لتشغيل الأجهزة الكهربائية. كما يتم استخدامها في المعدات الصوتية، وإمدادات الطاقة غير المنقطعة، وومضات الكاميرا، والأحمال النبضية مثل الملفات المغناطيسية والليزر وما إلى ذلك [5]. وفي الآونة الأخيرة، يركز العلماء جهودهم على تطوير المكثفات لتخزين الطاقة واستخدامها في الدوائر الكهربائية المختلفة، ولملء الفجوة بين المكثفات والبطاريات، والوصول لمعدل تفريغ طاقة عالٍ بسعة تخزينة كبيرة. ويعتبر ذلك النوع هو الجيل الجديد من أجهزة تخزين الطاقة حيث تتميز بسعات تخزينية أعلى من المكثفات العادية. كما تعتمد في آلية تخزينها على تكوين طبقة مزدوجة من الشحنات وكذلك التفاعلات الكهروكيميائية كما في البطاريات.

يمكن أن تخزن هذه المكثفات كميات كبيرة من الطاقة وتوفر إمكانيات جديدة، خاصة في مجالات السيارات الكهربائية، والمكابح المتجددة في صناعة السيارات. ويقصد بالكبح التجديدي تنشيط المكابح المتجددة، فتتباطأ السيارة مع تجديد بعض الكهرباء التي كانت تستخدم في الأصل لتسريعها. ثم يتم تغذية هذه الكهرباء مرة أخرى إلى البطاريات لتسريع السيارة مرة أخرى في المستقبل. يختلف الكبح التجديدي عن المكابح التقليدية التي لا تولد شيئا سوى الحرارة والضوضاء عند إبطاء السيارة. وعلى عكس مركبات ICE (Internal Combustion Engine- محرك الاحتراق الداخلي) التي تستخدم المكابح التقليدية فقط، تستخدم السيارات الكهربائية كلا من الكبح التقليدي والمتجدد [6].

ومن التطبيقات أيضًا المحركات الكهربائية الصناعية، وذاكرة الكمبيوتر الاحتياطية أثناء فقدان الطاقة وغيرها الكثير. وسيكون للمكثفات نصيب هائل في المستقبل لما تلبيه من حاجتنا إلى السرعة وندرة الموارد.

المصادر:

1. Science | Materials science. Where do batteries end and supercapacitors begin?
2. wired | the Physics of Leyden Jars
3. Science News Explores | Explainer: How batteries and capacitors differ
4. Encyclopedia | Supercapacitor Applications and Developments
5. Machine Design | What’s the Difference Between Batteries and Capacitors?
6. Auto Express | Regenerative braking: what is it and how does it work?

بطاريات الليثيوم أيون. تناولنا في المقال السابق البطاريات الجلفانية، وعرفنا أن بطاريات الليثيوم أيون تُعتبر أحد أهم أنواعها. ومن هنا سنتناول بشكل منفصل بطاريات الليثيوم أيون لنتعرف على كل ما يخص هذه البطاريات التي أحدثت ثورة تقنية منذ اختراعها.

ما هي بطارية الليثيوم أيون؟

تُعتبر بطارية الليثيوم أيون نوع من أنواع البطاريات الجلفانية القابلة لإعادة الشحن، وتعتمد على تقنية الليثيوم أيون لتخزين الطاقة الكهربائية. ونستطيع القول بأن هذه البطاريات تُصنف بأنها أحدث تقنيات البطاريات القابلة للشحن وأكثرها شيوعاً، وأهم الشركات الرئيسية المصنعة لهذا النوع من البطاريات هي سامسونج؛ وباناسونيك؛ وسوني وغيرها.

آلية عمل بطارية الليثيوم أيون:

تعتمد آلية عمل بطارية الليثيوم أيون على تدفق الأيونات بين قطبي البطارية خلال عملية الشحن والتفريغ. وتحتوي بطارية الليثيوم أيون على مواد مختلفة في كل من القطب السالب والقطب الموجب، والتي تتفاعل بدورها مع أيونات الليثيوم لتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة كيميائية والعكس صحيح عند التفريغ.
فمثلًا يحتوي القطب السالب في البطارية على مادة ألكوكسيد المعالجة بالجرافيت والتي تتفاعل مع أيونات الليثيوم عند شحن البطارية، حيث يتم إدخال الأيونات الليثيوم في ألكوكسيد وبهذا يتفاعل الكربون الموجود في الجرافيت المستخدم في معالجة الألكوكسيد مع الليثيوم. ومن جهة أخرى، يحتوي القطب الموجب على مادة أكسيد الكوبالت وأكسيد الليثيوم، حيث تتفاعل هذه المواد مع أيونات الليثيوم المتحررة من القطب السالب خلال عملية الشحن، وتتحرر هذه الأيونات عند التفريغ لتسريع تدفق التيار الكهربائي.

متى اُخترعت بطارية الليثيوم أيون؟

بدأت الأبحاث التي تستهدف تطوير بطارية الليثيوم أيون منذ سبعينيات القرن الماضي. إلا أن عملية التطوير العملي لها لأول مرة بدأ في عام 1980 من قبل باحثين في شركة ExxonMobil الأمريكية. ليتم تحسينها لاحقًا من قبل شركة Sony اليابانية في العام 1991، وإطلاقها تجارياً أيضًا في العام ذاته. ومنذ ذلك الحين، أصبحت بطارية الليثيوم أيون هي البطارية الرائدة في العالم.

مزايا بطاريات الليثيوم أيون:

تتميز بطارية الليثيوم أيون بمزايا جعلتها الأكثر كفاءة وانتشارًا في العالم، وذلك لأسباب عدة، منها:

كثافة عالية لطاقتها الثقالية:

تتميز بطارية الليثيوم أيون بكفاءة عالية في تخزين الطاقة، مما يسمح بتشغيل الأجهزة الإلكترونية والمركبات الكهربائية لفترات أطول دون الحاجة إلى إعادة الشحن المتكرر.

انخفاض وزنها:

تتمتع بطارية الليثيوم أيون بوزن خفيف مما يجعلها مناسبة للاستخدام في الأجهزة المحمولة مثل الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية والحواسيب المحمولة.

طول عمرها الافتراضي:

تمتاز هذه البطاريات بعمر افتراضي أطول من البطاريات التقليدية، ويمكنها الاستمرار في العمل لسنوات عديدة دون الحاجة إلى استبدالها.

قابليتها لإعادة الشحن:

القدرة على إعادة الشحن مرارًا وتكرارًا، جعلت من اختراعها خطوة ثورية لتعمل على استبدال البطاريات التقليدية كونها أكثر اقتصادية.

أنواع بطاريات الليثيوم أيون:

تتنوع بطاريات الليثيوم أيون، وتختلف فيما بينها من حيث التركيب الكيميائي والخصائص الفيزيائية والكهربائية. ومن بين هذه الأنواع:

بطاريات الليثيوم بوليمر 《Lithium Polymer batteries》:

وهي عبارة عن بطاريات تستخدم في العديد من التطبيقات الحديثة مثل الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية والأجهزة الإلكترونية الأخرى، وذلك بسبب أداءها العالي؛ وحجمها الصغير؛ ووزنها الخفيف. وتتميز هذه البطاريات بقدرتها على الاحتفاظ بالشحنة لفترة طويلة.

بطاريات الليثيوم فوسفات 《Lithium iron phosphate batteries》:

وتستخدم هذه البطاريات في السيارات الكهربائية؛ والمركبات الثقيلة؛ ونظم الطاقة الضخمة، وذلك بسبب قدراتها الكهربائية المتميزة؛ وتحملها لدرجات الحرارة العالية؛ وقابلية استخدامها تحت الجهود العالية.

بطاريات الليثيوم كوبالت 《Lithium Cobalt batteries》:

تدخل هذه البطاريات في العديد من الصناعات التي تتميز منتجاتها بالدقة، مثل: الأجهزة الإلكترونية الصغيرة؛ وأدوات القياس؛ والأدوات الطبية.

بطاريات الليثيوم تيتانات 《Lithium Titanate batteries》:

مثلها مثل بطاريات الليثيوم فوسفات، تدخل هذه البطاريات في صناعة السيارات الكهربائية؛ والمركبات الثقيلة؛ ونظم الطاقة الكبيرة؛ والطائرات دون طيار. وهذا بسبب قدرتها على الشحن السريع؛ والاحتفاظ بالشحنة لفترة أطول؛ ومقاومتها للجهود الحرارية الميكانيكية.

مستقبل بطاريات الليثيوم أيون:

تتوقع العديد من الدراسات والتقارير أن تتجه صناعة السيارات والطاقة النظيفة بشكل أساسي إلى استخدام بطاريات الليثيوم أيون في المستقبل. ومن المتوقع أن يتزايد الطلب على هذه البطاريات بشكل كبير خلال العقود القادمة، وذلك بسبب اعتماد المزيد من الصناعات على تقنيات الطاقة النظيفة، وتسارع عملية التحول من الوقود الأحفوري إلى توليد الطاقة الكهربائية من مصادر متجددة ونظيفة.
وتعمل العديد من الشركات حاليًا على تطوير تقنيات جديدة لبطاريات الليثيوم أيون، ويتم التىكيز بشكل رئيسي على زيادة الكفاءة؛ وتقليل التكلفة؛ وتحسين الأمان؛ وزيادة قدرتها تحمل الجهود الحرارية. كما تعمل الشركات على تقليص فترة شحن البطارية لتواكب تطلعات الاقتصاد العالمي والثورة التكنولوجية التي نقبل عليها.

المصادر:

Lithium-ion
Lithium-ion Battery Basics
The Evolution of Lothium-ion Batteries
The different types of Lithium-ion batteries

نعي جميعًا أهمية اختراع الساعة؛ فصوت دقّات عقارب الساعة شيء نعرفه ويرتبط في أذهاننا بالدقة والانتظار وغيرها. حيث نستخدم الساعة لتتبع الوقت وتحديد المواعيد والتخطيط لحياتنا. لكن هل توقفتَ يومًا لتتساءل عن تاريخ اختراع الساعة وضبط الوقت وكيف وصلنا إلى النظام والأدوات التي نستخدمها اليوم؟ بدءا من الساعات الشمسية إلى الساعة الذرية الحديثة، يعد تطور اختراع الساعة وضبط الوقت قصة رائعة عن براعة الإنسان وابتكاره. وهي ما سنتعرف عليه أكثر في مقالنا التالي:

بدايات ضبط الوقت

كانت الساعات الأولى بسيطة وتعتمد على موقع الشمس في السماء. حيث استخدم المصريون والبابليون القدماء الساعات الشمسية لقياس الوقت منذ 1500 قبل الميلاد [1].

وتتكون الساعة الشمسية من لوحة مسطحة بها عقرب (قطعة بارزة) تلقي بظلالها على اللوحة. ومن خلال مراقبة موضع الظل، يمكن تحديد الوقت من اليوم. ولكن، كانت الساعات الشمسية مفيدة فقط خلال النهار ولم تكن دقيقة في الأيام الملبدة بالغيوم التي تحتجب فيها الشمس.

في وقت لاحق جاء اختراع الساعة المائية نتيجة لتطور الحياة وللبحث المستمر لإيجاد بديل أكثر فعالية من الساعة الشمسية. وقد عرفت باسم “clepsydra”. وكان ذلك في حوالي 1400 عام قبل الميلاد في مصر القديمة وبلاد ما بين النهرين. وهذا يعني أنّها كانت حلًّا فعّالًا لقياس الوقت حتى حين تكون الشمس غير مرئية [1].

تتكون الساعة المائية من وعاء به ثقب صغير في الأسفل، مما يسمح للماء بالتنقيط بمعدل ثابت. وتشير العلامات الموجودة على الوعاء إلى مرور الوقت حيث ينخفض مستوى الماء فيه.

الساعات في العصر الإسلامي

كان تطوير اختراع الساعات وضبط الوقت أحد التطويرات المهمة التي قدمتها الحضارة الإسلامية. حيث صنع العلماء والمخترعون والحرفيون آلات مبتكرة. كما أجروا تحليلًا رياضيًا مفصلًا، وصنعوا ساعات معقدة. وقد حاولوا إتقان التحكم الآلي أثناء ابتكارهم للاختراعات وتوسيعها لضبط الوقت وقياسه.

وتعدّ ساعة القلعة التي اخترعها الجزري من أهم الساعات التي أظهرت براعة وتعقيدًا في تصميمها وبنائها. وذكر أنّ ارتفاعها يبلغ حوالي 3.5 متر وعرضها 3 أمتار.

وهي ساعة مائية عملاقة ذكرت آلية عملها المعقدة بالتفصيل في كتاب الحيل .

تعد ساعة القلعة نسخة متطورة من الساعة المائية الكلاسيكية أو “clepsydra”. إذ يقاس الوقت بالتدفق المنظم للخارج حيث يتم قياس الكمية بعد ذلك. تكمن الصعوبة في أن معدل تدفق المياه ليس موحدًا ويعتمد على ضغط (ارتفاع) الماء في الوعاء. وللتغلب على هذه المشكلة استخدم الجزري سدادة مخروطية وحجرة العوامة.[2]

يغذي الخزان الرئيسي غرفة الطفو من خلال سدادة مخروطية، وبالتالي كلما انخفض مستوى الماء يسمح بإعادة ملء الغرفة. وفي كل مرة تمتلئ الغرفة بالمياه، تغلق السدادة المخروطية الحجرة بعزلها عن الخزان الرئيسي. وبهذه الطريقة، تكون حجرة العوامة ممتلئة دائمًا بالماء. وبالتالي يتدفق الماء بمعدل ثابت ولا يعتمد على ارتفاع الماء في الخزان الرئيسي. وبذلك يتم قياس ومعرفة الوقت. لكن لم يلجأ الإنسان إلى الماء وحده لقياس الوقت بل استخدم الرمال أيضًا في وقت لاحق.

الساعات الرملية

مَن منا لم ير ساعة رملية في فيلم ما أو حتى في الواقع؟ إنّ ارتباط الساعة الرملية بضبطنا للوقت قديم جدًا. فالساعة الرملية جهاز مبكر لقياس الفترات الزمنية. وتتكون الساعة الرملية من بصلتين زجاجيين على شكل حبّة كمثرى، متحدتان عند قمتيهما ويتكون بينهما ممر دقيق. وتنتقل حباب الرمل عبره من الأعلى إلى الأسفل.

ويقال أن راهبا فرنسيا يدعى ليوتبراند هو من اخترع الساعة الرملية الأولى في القرن الثامن الميلادي. ومع ذلك، فإن الدليل الملموس لهذا الشكل الجديد للساعة، والذي يقيس الوقت بهبوط الرمال من لمبة زجاجية إلى أخرى. قد ورد ذكره لأول مرة في قوائم جرد السفن الأوروبية منذ القرن الرابع عشر. [3] في الحقيقة لم يكتف الإنسان بمشاهدة الطبيعة ليعرف الوقت بل لجأ إلى تطويعها لتساعده في معرفة الوقت بشكل أكثر دقة ومثالية.

في العصور الوسطى لم تعد هماك حاجة للماء لمعرفة الوقت

في العصور الوسطى، اخترعت الساعات الميكانيكية في أوروبا [4]. كانت هذه الساعات المبكرة كبيرة ومكلفة، وكانت دقتها محدودة، لكنها كانت أكثر دقة من سابقاتها. فقد استخدِمت آلية يحركها الوزن وتتطلب اللف كل بضع ساعات.

وبقي الحال كذلك حتى القرن السادس عشر، حيث اخترعت ساعة البندول على يد العالم الهولندي كريستيان هوغنس. نتيجة لذلك تحسنت الدقة بشكل كبير والأهم من ذلك أنّ ساعات البندول سمحت بقياس الوقت لفترات أطول [5]. مما أدى إلى حدوث ثورة في عصر الساعات.

وبعد ذلك تبع اختراع ساعة البندول اختراع الساعة النابضية، والتي كانت أصغر حجمًا وأكثر قابلية للحمل. لكن ما الذي جعل هذه الآلة الثمينة في ذلك الوقت متوفرة في أيدي جميع الناس لاحقًا؟

الثورة الصناعية وانتشار صناعة الساعات

يكمن الجواب في الثورة الصناعية، حيث لم يكن إنتاج الساعات استثناءً من الوفرة التي سببتها الثورة الصناعية على جميع الأصعدة. إذ أدت الثورة الصناعية في القرن التاسع عشر إلى إنتاج ضخم للساعات وساعات اليد. مما جعل أدوات ضبط الوقت في متناول عامة السكان [6]. وخاصة مع الانتقال إلى عصر ساعات الكوارتز التي نعرفها جميعًا.

وتستخدم ساعة الكوارتز، التي تم اختراعها في عشرينيات القرن الماضي، قطعة من بلور الكوارتز للحفاظ على الوقت. ما جعلها أكثر دقة من الساعات السابقة. لكن هل اكتفى الإنسان بمشاهدة العقارب أم لجأ إلى مفهوم الأرقام المكافئ للحداثة والدقة؟

الساعات الرقمية

وجدت الساعات التي تستخدم العقارب منذ قرون. أمّا الظهور الأول للساعة الرقمية كان في أواخر القرن التاسع عشر في عام 1883. حيث اخترع المهندس النمساوي جوزيف بالويبر آلية “ساعة القفز” – وهي أول ساعة جيب رقمية. وتضمنت ساعة بالويبر قرصين داخل الساعة يتم تدويرهما لعرض الساعة والدقائق على وجه الساعة. تم دمج هذه التقنية لاحقًا في ساعات اليد. والجدير بالذكر أنّ هذه التقنية تطوّرت على مر السنين بشكل أكثر تسارعًا من الأنماط الأخرى التي احتاجت قرونًا من التطوير.

وفي وقت لاحق وتحديدًا في عام 1970، أنتجت شركة هاميلتون ووتش أول ساعة يد رقمية مزودة بشاشة LED بكميات كبيرة. وسميت ساعة بولسار. ولكن على الرغم من التكلفة الأولية الضخمة للساعات الرقمية، إلّا أنّ شعبيتها ازدادت بشكل مطرّد. لكنّ العيب الذي وجد في تلك الساعات مجتمعة هو غياب الدقة وهو ذنب لا يغتفر لساعة في الحقيقة. ورغم أنّ هذا العيب أرّق الإنسان على مرّ الأزمان ولأنّه واظب في البحث عن أكثر الحلول نجاعة توصّل أخيرًا إلى أكثر الحلول فاعلية حتى اللحظة. ألا وهو الساعات الذرية.

الساعات الذرية الأكثر دقة

اليوم، تعد الساعات الذرية أكثر أجهزة ضبط الوقت دقة، لأنّها تستخدم اهتزازات الذرات لضبط الوقت. ويتم استخدامها للتجارب العلمية وللحفاظ على معايير التوقيت العالمية نتيجة لدقتها[8].

تعمل هذه الساعات على قياس الوقت باستخدام تردد اهتزازات الذرة. وفي عام 1967، أعاد النظام الدولي للوحدات (SI) تعريف الثانية بأنها الوقت الذي تستغرقه ذرة السيزيوم 133 لإطلاق 9192.631.770 دورة من إشعاع الميكروويف عند الاهتزاز بين حالتين للطاقة.

يمكن للساعات الذرية أن تنتج ترددًا دقيقًا لدرجة أن خطأها الزمني في اليوم يبلغ حوالي 0.03 نانوثانية. وهذا يعني أن الساعة ستفقد ثانية واحدة في حوالي 100 مليون سنة.

ختامًا، إن تاريخ ضبط الوقت هو قصة ابتكار وإبداع الإنسان. فقد تطور ضبط الوقت واختراع الساعة على مدى آلاف السنين، بدءا من الساعة الشمسية القديمة إلى الساعة الذرية الحديثة. وقد أتاح لنا تطور الساعات قياس الوقت بدقة متزايدة، مما جعله جزءًا أساسيًا من الحياة الحديثة.

المصادر:

1- https://nrich.maths.org/6070

2- https://aljazaribook.com/en/2018/09/04/castle-clock_en/

3- https://www.guinnessworldrecords.com/world-records/first-hourglass#:~:text=The%20first%20hourglass%2C%20or%20sand,in%20the%208th%20century%20AD

4- https://museum.seiko.co.jp/en/knowledge/MechanicalTimepieces01/#:~:text=The%20world’s%20first%20mechanical%20clocks,the%20time%20by%20striking%20bells

5- https://www.aps.org/publications/apsnews/201706/history.cfm

6- https://en.wikipedia.org/wiki/Quartz_clock

7-

https://hive.blog/steemit/@sohaib145/history-of-digital-clock-7aefaab0220dc

8- https://interestingengineering.com/science/keep-up-time-with-atomic-clocks