يمثل تطوير جامعة إلينوي أوربانا شامبين لجهاز أشباه الموصلات الماسي عالي الأداء خطوة مهمة نحو تلبية الطلب المتزايد على الكهرباء وتحقيق الحياد الكربوني بحلول عام 2050.
ويوفر هذا التقدم في تقنية الماس قدرة جهد أعلى وتيار تسرب أقل، متفوقًا على السيليكون التقليدي، وقام الباحثون بتطوير جهاز أشباه الموصلات مصنوع من الماس، مما يقدم حلاً واعداً لتحقيق الحياد الكربوني بحلول عام 2050. ويتميز هذا الجهاز بأعلى جهد انهيار وأقل تيار تسرب مقارنة بأجهزة الماس الموجودة، مما يمثل تقدمًا كبيرًا في عملية الكهربة.
الهدف العالمي
ولتحقيق الهدف العالمي المتمثل في حياد الكربون بحلول عام 2050، يجب أن يكون هناك تغيير جوهري في المواد الإلكترونية لإنشاء شبكة كهرباء أكثر موثوقية ومرونة. وقد يكون الماس الحل المطلوب للحفاظ على كهربة المجتمع اللازمة
للوصول إلى الحياد الكربوني في السنوات الثلاثين المقبلة. قام الباحثون في جامعة إلينوي أوربانا شامبين بتطوير جهاز شبه موصل مصنوع باستخدام الماس، والذي يتمتع بأعلى جهد انهيار وأقل تيار تسرب مقارنة بأجهزة الماس التي تم الإبلاغ عنها سابقًا. وسيعمل مثل هذا الجهاز على تمكين التقنيات الأكثر كفاءة اللازمة مع تحول العالم إلى الطاقات المتجددة.
الطلب المتزايد على الكهرباء
تشير التقديرات إلى أن 50% من كهرباء العالم حاليًا يتم التحكم بها عن طريق أجهزة الطاقة، وفي أقل من عقد من الزمن، من المتوقع أن يرتفع هذا العدد إلى 80%، بينما في الوقت نفسه سيزداد الطلب على الكهرباء بنسبة 50% بحلول عام 2050.
وحسب تقرير حديث صادر عن الأكاديميات الوطنية للعلوم والهندسة والطب، “ربما يكون الخطر التكنولوجي الأعظم الذي يواجه التحول الناجح للطاقة هو خطر فشل الدولة في تحديد موقع الشبكة الكهربائية وتحديثها وبناءها. وبدون زيادة قدرة النقل، سوف يتأخر نشر مصادر الطاقة المتجددة، ويمكن أن تكون النتيجة الصافية على الأقل زيادة مؤقتة في انبعاثات الوقود الأحفوري، مما يمنع الدولة من تحقيق أهداف خفض الانبعاثات”.
وذكر التقرير أنه “لتلبية متطلبات الكهرباء وتحديث الشبكة الكهربائية، من المهم جدًا أن ننتقل من المواد التقليدية، مثل السيليكون، إلى المواد الجديدة التي نشهد اعتمادها اليوم مثل كربيد السيليكون والجيل القادم من أشباه الموصلات – واسعة النطاق”، فيما يقول كان بيرم، أستاذ الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر، الذي قاد هذا البحث، جنبًا إلى جنب مع طالب الدراسات العليا زوران هان: “إن المواد ذات فجوة الحزمة، مثل نيتريد الألومنيوم والماس والمركبات ذات الصلة”.
أشباه الموصلات: ما وراء السيليكون
يتم تصنيع معظم أشباه الموصلات باستخدام السيليكون، وهي تلبي حتى الآن احتياجات المجتمع الكهربائية. ولكن كما يشير بيرم: “نريد التأكد من أن لدينا موارد كافية للجميع، بينما تتطور احتياجاتنا. في الوقت الحالي، نستخدم المزيد والمزيد من عرض النطاق الترددي، ونقوم بإنشاء المزيد من البيانات (التي تأتي أيضًا مع المزيد من سعة التخزين)، ونستخدم المزيد من الطاقة، والمزيد من الكهرباء، والمزيد من الطاقة بشكل عام. والسؤال هو: هل هناك طريقة يمكننا من خلالها جعل كل هذا أكثر كفاءة، بدلاً من توليد المزيد من الطاقة وبناء المزيد من محطات الطاقة؟”.
تفوق أشباه الموصلات الماسية
الماس عبارة عن فجوة واسعة جدًا من أشباه الموصلات تتمتع بأعلى موصلية حرارية، وهي قدرة المادة على نقل الحرارة. وبسبب هذه الخصائص، يمكن لأجهزة أشباه الموصلات الماسية أن تعمل بجهد وتيارات أعلى بكثير (بمواد أقل) وستظل تبدد الحرارة دون التسبب في انخفاض الأداء الكهربائي، مقارنة بمواد أشباه الموصلات التقليدية مثل السيليكون.
ويقول الدكتور بيرم: “لكي يكون لديك شبكة كهرباء حيث تحتاج إلى تيار وجهد عاليين، مما يجعل كل شيء أكثر كفاءة لتطبيقات مثل الألواح الشمسية وتوربينات الرياح، فإننا بحاجة إلى تكنولوجيا ليس لها حدود حرارية. وهنا يأتي دور الماس”.
وعلى الرغم من أن العديد من الناس يربطون الماس بالمجوهرات باهظة الثمن، إلا أنه يمكن تصنيع الماس بتكلفة معقولة وبشكل مستدام في المختبر، مما يجعله بديلاً مهمًا وقابل للتطبيق لأشباه الموصلات.
فيما يتشكل الألماس الطبيعي عميقًا تحت سطح الأرض تحت ضغط وحرارة هائلين، ولكن نظرًا لأنه في الأساس مجرد كربون – الذي يوجد به وفرة – يمكن تصنيع الماس الاصطناعي في أسابيع بدلاً من مليارات السنين، بينما ينتج أيضًا 100 مرة أقل. انبعاثات الكربون.
ويوضح بيرم وهان أن جهازهما الماسي يمكنه الحفاظ على الجهد العالي، حوالي 5 كيلو فولت، على الرغم من أن الجهد كان محدودًا بإعدادات القياس وليس من الجهاز نفسه. من الناحية النظرية، يمكن للجهاز الحفاظ على ما يصل إلى 9 كيلو فولت. هذا هو أعلى جهد تم الإبلاغ عنه لجهاز الماس. إلى جانب أعلى جهد انهيار، يُظهر الجهاز أيضًا أقل تيار تسرب، والذي يمكن اعتباره مثل صنبور يسرب ولكن مع الطاقة. يؤثر تسرب التيار على الكفاءة العامة وموثوقية الجهاز.
يقول هان: “لقد قمنا ببناء جهاز إلكتروني أكثر ملاءمة لتطبيقات الطاقة العالية والجهد العالي للشبكة الكهربائية المستقبلية وتطبيقات الطاقة الأخرى. وقمنا ببناء هذا الجهاز على مادة ذات فجوة نطاق واسعة جدًا، الماس الاصطناعي، والتي تعد بكفاءة أفضل وأداء أفضل من أجهزة الجيل الحالي”.
أضاف: “نأمل أن نستمر في تحسين هذا الجهاز والتكوينات الأخرى حتى نتمكن من الاقتراب من حدود أداء الإمكانات المادية للماس”.
اقرأ أيضاً: