يتطلب إنتاج الصلب الصديق للبيئة المزيد من المهندسين الكهروكيميائيين
في القرن التاسع عشر، كان الألومنيوم يعتبر أكثر قيمة من الذهب أو الفضة لأن إنتاج المعدن بأي كمية كان مكلفًا للغاية. بفضل عملية الصهر Hall-Héroult، التي كانت رائدة في الاختزال الكهروكيميائي لأكسيد الألومنيوم في عام 1886، جعلت التطورات في الكيمياء الكهربائية الألومنيوم أكثر توفرًا وبأسعار معقولة، مما أدى بسرعة إلى تحويله إلى مادة أساسية تستخدم في تصنيع الطائرات وخطوط الكهرباء وحاويات تخزين المواد الغذائية. وأكثر.
بينما يحشد المجتمع جهوده ضد أزمة المناخ الملحة التي نواجهها اليوم، نجد أنفسنا نبحث عن حلول تحويلية لمواجهة التحديات البيئية. بقدر ما قامت الكيمياء الكهربائية بتحديث إنتاج الألومنيوم، فإن العلم يحمل المفتاح لإحداث ثورة في صناعة الصلب والحديد.
الكيمياء الكهربائية يمكن أن تساعد في إنقاذ الكوكب
مع تبني العالم لحلول الطاقة النظيفة مثل توربينات الرياح والمركبات الكهربائية والألواح الشمسية لمعالجة أزمة المناخ، يصبح تغيير الطريقة التي نتعامل بها مع التصنيع أمرًا بالغ الأهمية. إن إنتاج الصلب التقليدي – الذي يتطلب قدرا كبيرا من الطاقة لحرق الوقود الأحفوري عند درجات حرارة تتجاوز 1600 درجة مئوية لتحويل الخام إلى حديد – يمثل حاليا حوالي 10 في المائة من ثاني أكسيد الكربون السنوي للكوكب.2 الانبعاثات. إن الاستمرار في الأساليب التقليدية يهدد بتقويض التقدم نحو الأهداف البيئية.
يقوم العلماء بالفعل بتطبيق الكيمياء الكهربائية – التي توفر التحكم الكهربائي المباشر في تفاعلات الأكسدة والاختزال – لتحويل الخام إلى حديد. يعد التحويل خطوة أساسية في إنتاج الصلب والجزء الأكثر إطلاقًا للانبعاثات. يمكن للمهندسين الكهروكيميائيين قيادة التحول نحو صناعة الصلب والحديد الأنظف من خلال إعادة التفكير في التحسينات وإعادة ترتيب أولوياتها.
عندما درست هندسة الديناميكا الحرارية لأول مرة في عام 1998، كانت الكهرباء – التي كان سعرها خمسة أضعاف سعر كل جول من الحرارة – تعتبر شكلاً متميزًا من أشكال الطاقة لا يمكن استخدامه إلا عند الحاجة القصوى.
ومنذ ذلك الحين انخفض سعر الكهرباء بشكل مطرد. ولكن من المعروف الآن أن الانبعاثات أكثر ضررا وتكلفة.
يحتاج المهندسون اليوم إلى تعديل الممارسات المقبولة حاليًا لتطوير حلول جديدة تعطي الأولوية لكفاءة الكتلة على كفاءة الطاقة.
بالإضافة إلى المهندسين الكهروكيميائيين الذين يعملون من أجل صناعة فولاذ وحديد أنظف، فإن التقدم التكنولوجي ومصادر الطاقة المتجددة الرخيصة يضعنا في “لحظة كهروكيميائية” تعد بالتغيير عبر قطاعات متعددة.
على سبيل المثال، أدى انخفاض تكلفة الألواح الكهروضوئية وتوربينات الرياح إلى توفير كهرباء متجددة بأسعار معقولة. يمكن إعادة استخدام التقدم في أنظمة التوزيع الكهربائية المصممة للسيارات الكهربائية في المفاعلات الكهروكيميائية المعيارية.
تمتلك الكيمياء الكهربائية القدرة على دعم تطوير بنية تحتية نظيفة وخضراء تتجاوز البطاريات والمحللات الكهربائية وخلايا الوقود. يمكن توسيع نطاق العمليات والأساليب الكهروكيميائية لإنتاج المعادن والسيراميك والمواد المركبة وحتى البوليمرات بمقاييس كانت مخصصة سابقًا للعمليات الكيميائية الحرارية. مع ما يكفي من الجهد والتفكير، يمكن أن يؤدي الإنتاج الكهروكيميائي إلى مليارات الأطنان من المعادن والخرسانة والبلاستيك. ولأن الكيمياء الكهربائية تصل مباشرة إلى نقل الإلكترون الأساسي في الكيمياء، فيمكن إعادة تدوير نفس المواد باستخدام الطاقة المتجددة.
وبما أنه من المتوقع أن تمثل مصادر الطاقة المتجددة أكثر من 90% من التوسع العالمي في الكهرباء خلال السنوات الخمس المقبلة، يجب على العلماء والمهندسين الذين يركزون على الكيمياء الكهربائية أن يتوصلوا إلى أفضل السبل للاستفادة من طاقة الرياح والطاقة الشمسية منخفضة التكلفة.
أصبحت المكونات الأساسية للأنظمة الكهروكيميائية، بما في ذلك الأكاسيد المعقدة والمعادن المقاومة للتآكل ومحولات الطاقة الدقيقة عالية الطاقة، الآن مجموعة مثيرة من الأدوات للتطور التالي للهندسة الكهروكيميائية.
لقد أنشأ العلماء الذين سبقوهم مجموعة مستقرة من اللبنات الأساسية؛ يحتاج الجيل القادم من المهندسين الكهروكيميائيين إلى استخدامها لإنشاء مفاعلات أنيقة وموثوقة وأنظمة أخرى لإنتاج عمليات المستقبل.
قبل ثلاثة عقود، كانت دورات الهندسة الكهروكيميائية، في معظمها، اختيارية وعلى مستوى الدراسات العليا. الآن أصبح لدى كل مركز بحث وتطوير مؤسسي رفيع المستوى تقريبًا مسارات كاملة للهندسة الكهروكيميائية. يجب على الطلاب المهتمين بهذا المجال أن يأخذوا دروسًا في الكيمياء التحليلية الكهربائية والطرق الكهروكيميائية ودورات دراسية في تخزين الطاقة الكهروكيميائية ومعالجة المواد.
على الرغم من إمكانية الإنتاج الكهروكيميائي على نطاق واسع، إلا أنه ليس حتميًا. وسوف يتطلب الأمر تضافر جهود الجيل القادم من المهندسين للوصول إلى نطاقه المحتمل.
وكما وجد العلماء طريقة لإطلاق العنان لإمكانات الألومنيوم الوفير الذي كان بعيد المنال ذات يوم، فإن المهندسين لديهم الآن الفرصة لتشكيل مستقبل أنظف وأكثر استدامة. تتمتع الكيمياء الكهربائية بالقدرة على التحول إلى الطاقة النظيفة، مما يمهد الطريق لعالم يسير فيه الانسجام البيئي والتقدم الصناعي جنبًا إلى جنب.
