انقلاب در ذخیره‌سازی انرژی با پیچش میله‌ها

یک تیم بین‌المللی از پژوهشگران موفق به توسعه نوعی متامتریال مکانیکی نوآورانه شده‌اند که قادر است انرژی کشسان را در سطوحی بی‌سابقه ذخیره و آزاد کند. این دستاورد، افق‌های تازه‌ای را برای طراحی اجزای پرانرژی در حوزه‌هایی، چون رباتیک، جذب ضربه و ماشین‌های نسل آینده گشوده است.

ابداع ساختاری مبتنی بر پیچش

به گزارش ساینس دیلی، محققان با پیچاندن میله‌های فلزی به شکل مارپیچی و تلفیق آنها در یک ساختار جدید متامتریالی، محدودیت‌های سنتی طراحی را پشت سر گذاشته‌اند. این طراحی به آنها اجازه داده است تا به آنتالپی‌ای دست یابند که بین ۲ تا ۱۶۰ برابر بیشتر از مواد متداول است. آنتالپی در این زمینه به میزان انرژی ذخیره‌شده و قابل بازیابی از یک ماده اطلاق می‌شود.

به گفته‌ی پیتر گومبش از مؤسسه فناوری کارلسروهه (KIT)، دستیابی به چنین سطحی از آنتالپی کار ساده‌ای نیست.

او می‌گوید: «ترکیب همزمان ویژگی‌هایی همچون سختی بالا، استحکام زیاد و کرنش قابل بازیابی گسترده، چالش‌برانگیز است.»

طراحی متامتریال‌های با عملکرد بالا

متامتریال‌ها موادی هستند که ساختار آنها به گونه‌ای طراحی می‌شود که در طبیعت یافت نمی‌شود. با چیدمان دقیق اجزای سازنده، می‌توان به خواص غیرمعمول یا بهبودیافته‌ای دست یافت. گومبش، که مدیریت مؤسسه فراونهوفر برای مکانیک مواد در فرایبورگ را نیز بر عهده دارد، همراه با تیمی از محققان چینی و آمریکایی، موفق به طراحی متامتریالی مکانیکی شده‌اند که با بهره‌وری بالا انرژی کشسان را ذخیره می‌کند.

او می‌افزاید: «در ابتدا، ما مکانیزمی را شناسایی کردیم که با آن می‌توان مقدار زیادی انرژی را در یک میله ساده ذخیره کرد بدون اینکه دچار شکست یا تغییر شکل دائمی شود. سپس با چیدمانی هوشمند از این میله‌ها، این مکانیزم را در قالب یک متامتریال تلفیق کردیم.»

استفاده از پیچش به جای خم‌شدگی برای حداکثر ذخیره‌سازی انرژی

محققان توضیح می‌دهند که برخلاف فنر‌های خم‌شونده سنتی که در سطح خود تحت تنش‌های بالا قرار می‌گیرند و در نتیجه نمی‌توانند انرژی زیادی ذخیره کنند، پیچاندن میله‌ها باعث ایجاد توزیع یکنواخت‌تری از تنش در سطح شده و ناحیه‌ی بدون تنش درونی کاهش می‌یابد. این کار باعث افزایش بهره‌وری در ذخیره‌سازی انرژی می‌شود.

فراتر از این، آنها با اعمال پیچش شدید، الگوی جالبی از کمانش مارپیچی را در میله‌ها ایجاد کردند که هم انرژی زیادی را ذخیره می‌کند و هم ساختار را از نظر مکانیکی مقاوم نگه می‌دارد.

دستیابی به بالاترین آنتالپی ثبت‌شده در طراحی‌های نوین

این تیم پژوهشی موفق شد تا میله‌های پیچ‌خورده و دچار کمانش مارپیچی را در یک متامتریال بزرگ‌مقیاس تعبیه کند که تحت بارگذاری تک‌محوره عمل می‌کند. شبیه‌سازی‌های انجام‌شده نشان داد که این متامتریال علاوه بر سختی بالا و تحمل نیرو‌های بزرگ، از آنتالپی بی‌نظیری نیز برخوردار است. آنها برای تأیید پیش‌بینی‌های خود، آزمایش‌های فشاری ساده‌ای را روی انواع مختلفی از متامتریال‌ها با ساختار‌های آینه‌ای (chiral) انجام دادند که نتایج آنها نیز مؤید همین موضوع بود.

کاربرد‌های آینده برای مواد با انرژی بالا

گومبش می‌گوید: «متامتریال‌های جدید ما با ظرفیت بالای ذخیره‌سازی انرژی کشسان، پتانسیل استفاده در حوزه‌های گوناگونی را دارند که در آنها هم ذخیره‌سازی مؤثر انرژی و هم خواص مکانیکی استثنایی مورد نیاز است.»

از جمله کاربرد‌های بالقوه می‌توان به ذخیره‌سازی انرژی مبتنی بر فنر، جذب یا میرایی ضربه، و همچنین سازه‌های انعطاف‌پذیر در رباتیک یا ماشین‌های کم‌مصرف اشاره کرد. حتی ممکن است از پیچش‌های داخلی این متامتریال‌ها برای طراحی مفاصل کاملاً کشسان استفاده شود.

انتهای پیام/