خيارات واعدة تطيل أمد البطاريات

تعزز نمو أسواق الأجهزة الإلكترونية والسيارات الكهربائية

جهود مستمرة لتطوير بطاريات السيارات الكهربائية
جهود مستمرة لتطوير بطاريات السيارات الكهربائية
TT

خيارات واعدة تطيل أمد البطاريات

جهود مستمرة لتطوير بطاريات السيارات الكهربائية
جهود مستمرة لتطوير بطاريات السيارات الكهربائية

شحن الهاتف على وشك الانتهاء ولا يمكنك العثور على مكان لتوصيله بالكهرباء. ارتفعت درجة حرارة الكمبيوتر المحمول وتخشى أن تكون البطارية على وشك الاشتعال. إلى أي مدى يمكنك قيادة سيارتك الكهربائية بعيداً عن المنزل خشية انتهاء شحن البطارية؟

سيناريوهات عديدة نعيشها اليوم تعكس جميعها مدى الحاجة المتنامية إلى بطاريات قادرة على تخزين مزيد من الطاقة، لتدوم أطول فترة ممكنة، مع ضمان تحقيق عنصر الأمان أيضاً. لذلك لا يتوقف الباحثون عن العمل من أجل مزيد من التطوير. في هذا الإطار، طوّر باحثو جامعة موناش الأسترالية تصميماً جديداً لبطارية ليثيوم - كبريت، باستخدام أقطاب من رقائق الليثيوم المغلفة بمادة بوليمرية طورت على المقياس النانوي، بغرض تقليل كمية الليثيوم المطلوبة في البطارية الواحدة.

وأظهرت نتائج دراستهم، التي نشرت في دورية «الأنظمة المستدامة المتقدمة»، في 13 أكتوبر (تشرين الأول)، أن استخدام البوليمر النانوي أدى إلى استهلاك كمية أقل من الليثيوم، وتوفير مزيد من الطاقة لفترة زمنية أطول. ومن المتوقع أن تبلغ تكلفة البطارية الجديدة نصف سعر بطاريات الليثيوم أيون شائعة الاستخدام في الوقت الحالي، وفق الباحثون.

تقنيات مستدامة بيئياً

مع التحول إلى الطاقات المتجددة، أصبحت الحاجة إلى حلول أكثر استدامة لتخزين الطاقة أمراً بالغ الأهمية. وتعد بطاريات «الليثيوم - الكبريت Li-S» من التقنيات الناشئة لتخزين الطاقة، إذ تستخدم لتوفير طاقة أكبر مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون. إلا أن عملية العثور على الليثيوم واستخراجه ونقله تترك بصمة بيئية كبيرة، لذا فإن استخدام أقل قدر ممكن من الليثيوم يظل أمراً مهماً.

وهو ما علق عليه الباحث الرئيسي للدراسة، ديكلان ماكنمارا، من شركة «موناش إنجينييرنغ»، في تصريح لـ«الشرق الأوسط»: «تمكنا من تقليل كمية الليثيوم اللازمة لتصنيع البطارية. وبالتالي تقليل حجمها ووزنها وتكلفتها. ولا تحتوي بطاريات الليثيوم - كبريت على النيكل أو الكوبالت أو المنغنيز كما هو حال بطاريات الليثيوم - أيون، ما يجعلها أكثر قابلية لإعادة التدوير».

من جانبه، أوضح ماهر القاضي، الأستاذ المساعد بجامعة كاليفورنيا – لوس أنجلوس الأميركية أن «الجيل الحالي من بطاريات الليثيوم - أيون يعتمد على الأقطاب السالبة المصنوعة من الغرافيت، أما الأقطاب الموجبة فتصنع من أنواع مختلفة من المواد، مثل أكاسيد الكوبالت، الموجودة في الأجهزة الإلكترونية، وخليط المنغنيز والنيكل والكوبالت في السيارات الكهربية، وهي معادن مرتفعة السعر وذات بصمة بيئية كبيرة أيضاً، كما أن عمليات استخراجها قد يشوبها بعض المشكلات الأخلاقية مثل عمالة الأطفال».

وأضاف: «الكبريت كبديل هو عنصر يتوافر في القشرة الأرضية بكميات كبيرة، كما أنه يسهم بالفعل في تقليل وزن البطارية، لكنه شكك في أن تكون تطبيقاته في هذا المجال أقل حجماً. وعليه يرى القاضي أن تطبيقات بطاريات الليثيوم - كبريت تخدم أكثر مجالات الفضاء والطيران، وكذلك السيارات الكهربائية».

وتضع هذه الدراسة إطاراً جديداً لحماية معدن الليثيوم والكبريت من التحلل السريع، إذ تتضمن رقائق البوليمر ثقوباً صغيرة يقل حجمها عن نانومتر، جزء من مليار من المتر، ما يسمح لأيونات الليثيوم بالتحرك بحرية بينما تُمنع المواد الكيميائية الأخرى التي من شأنها مهاجمة الليثيوم.

قال ماكنمارا: «الليثيوم سلاح ذو حدين، فهو مملوء بالطاقة، لكن توظيفه ضمن بطاريات سيئة التصميم يؤدي لإهدار هذه الطاقة في التفاعلات الجانبية»، مشدداً على أن «هذا الطلاء يعد خطوة نحو بطاريات ليثيوم - كبريت عالية الكفاءة وسهلة التصنيع». ووفق ماكنمارا، فإن هذه التطورات تعد خطوة واعدة نحو اعتماد واسع النطاق لبطاريات ليثيوم - كبريت.

خيارات واعدة أخرى

من جانبه، قال البروفيسور ماثيو هيل، من جامعة موناش، وأحد باحثي الدراسة، إن سوق السيارات الكهربائية، والطائرات من دون طيار، والأجهزة الإلكترونية، تشهد نمط نمو حاداً، وهذا البحث جاهز تجارياً للتصنيع لدعم هذا النمو، مشدداً على أن إنتاج خيارات جديدة من البطاريات الاقتصادية والحساسة للبيئة سيكون أمراً مفيداً. وأضاف: «نتطلع إلى العمل مع الشركاء التجاريين لتطوير وتصنيع هذه التكنولوجيات». وهو ما أكد عليه ماكنمارا: «ينصب تركيزنا على الحلول العملية القابلة للتطوير. سنواصل في المستقبل العمل على ترجمة عملنا على المستوى البحثي إلى دورة الإنتاج. ونحن الآن بصدد إنشاء شركة ونتلقى حالياً استفسارات من المستثمرين المهتمين بالشراكة معنا».

وعن أبرز الخيارات الواعدة الأخرى التي يمكنها تحقيق متطلبات البشر في المستقبل القريب، قال القاضي: «بالإضافة إلى بطاريات الليثيوم - كبريت، تعد بطاريات الليثيوم - أيون فوسفات، من أشهر هذه الخيارات، نظراً لأن أقطابها من عناصر الحديد والفوسفور الموجودة بوفرة في الطبيعة، وهي عناصر رخيصة الثمن، مقارنة بالكوبالت والنيكل على سبيل المثال، بالإضافة إلى جدوى عمليات الشحن والتفريغ وإعادة التدوير الخاصة بهما، كما أنها أكثر أماناً والعمر الافتراضي لها أطول كثيراً من الأقطاب التقليدية». وأشار إلى أن «البطاريات التي تعتمد على السيلكون تجد اهتماماً بحثياً أيضاً الآن، لأن السيلكون غير نشط كيميائياً، وبالتالي أكثر أماناً ومن العناصر المتوافرة بشدة في الطبيعة».

وأضاف القاضي: «الأمر ذاته يسري على بطاريات الصوديوم - أيون، التي تجد الآن فرصة جيدة جداً نظراً لتوافر عنصر الصوديوم بكثرة في الطبيعة، حيث يبلغ مخزونه في القشرة الأرضية حوالي 21 مليون طن، وهي كمية كفيلة بأن تغطي احتياجات قطاع تصنيع السيارات الكهربائية». وأخيراً، تأتي «بطاريات الخارصين، وهو أيضاً من العناصر المتوافرة بكثرة في الطبيعة، ويتمتع بعامل أمان كبير».



اكتشاف إنزيم في بكتيريا الأمعاء يمنع اليرقان

اكتشاف إنزيم في بكتيريا الأمعاء يمنع اليرقان
TT

اكتشاف إنزيم في بكتيريا الأمعاء يمنع اليرقان

اكتشاف إنزيم في بكتيريا الأمعاء يمنع اليرقان

لمدة قرنين تقريباً، حيَّر البيليروبين -وهو صبغة صفراء تنتج عندما تتحلل خلايا الدم الحمراء- العلماء. وبينما يتسبب تراكمه في حدوث اليرقان، مما يحوِّل الجلد والعينين إلى اللون الأصفر، ظل الإنزيم المسؤول عن تحلله لغزاً. والآن، حددت دراسة بارزة نُشرت في مجلة «Nature Microbiology» هذا الإنزيم المراوغ وهو: إنزيم اختزال البيليروبين (BilR)، الذي تُنتجه بكتيريا الأمعاء.

لغز البيليروبين

لا يحل هذا الاكتشاف لغزاً بيولوجياً طويل الأمد فحسب، بل يكشف أيضاً عن كيفية مساهمة الاضطرابات في ميكروبيوم أمعائنا في أمراض مثل مرض التهاب الأمعاء (IBD) واليرقان عند حديثي الولادة.

والبيليروبين هو منتج نفايات يتم إنتاجه في أثناء إعادة تدوير الهيموغلوبين من خلايا الدم الحمراء المتقدمة في العمر. وفي العادة تجري معالجة البيليروبين بواسطة الكبد، ثم يتم إفرازه في الأمعاء، ثم يتم تكسيره بواسطة البكتيريا أو إعادة امتصاصه. ويؤدي الإفراط في إعادة الامتصاص إلى فرط بيليروبين الدم، مما يسبب اليرقان. وفي الحالات الشديدة قد يسبب تلف الأعصاب.

بحلول سبعينات القرن العشرين اشتبه الباحثون في أن البشر يفتقرون إلى الإنزيم اللازم لتحلل البيليروبين داخلياً واعتمدوا بدلاً من ذلك على ميكروبات الأمعاء. ومع ذلك فقد ثبت أن تحديد اللاعبين البكتيريين الدقيقين -وآلياتهم الجينية- غير مجدٍ لعقود من الزمن.

فك الشفرة

تعاون شياوفانغ جيانغ، عالم الأحياء الحاسوبية في المعاهد الوطنية للصحة، وبرانتلي هول، عالم الأحياء الدقيقة في جامعة «ماريلاند»، للعمل على فرضية بسيطة: مقارنة الجينات في البكتيريا التي تهضم البيليروبين بتلك التي لا تعالج هذه الصبغة. ولكن مع وجود عدد قليل فقط من البكتيريا الهاضمة المعروفة، كان عليهم أولاً توسيع قائمة المشتبه بها.

وباستخدام اختبار جديد قائم على الفلورسنت، عرّض الفريق مزارع بكتيرية للبيليروبين واليود. وعندما يتحلل البيليروبين تتفاعل منتجاته الثانوية مع اليود لإصدار الضوء. وقد كشفت هذه الطريقة عن تسعة أنواع جديدة كلها ضمن البكتيريا المؤتلفة Firmicutes phylum (هي شعبة من البكتيريا معظمها يحتوي على جدران خلوية من النوع موجبة الجرام) قادرة على هضم الصبغة.

بعد ذلك، كشفت المقارنات الجينومية عن جين مشترك بين هذه الأنواع: «إنزيم من نوع أوكسيدوردوكتاز» يستهدف على الأرجح الروابط المزدوجة الأربعة للبيليروبين بين ذرات الكربون. وللتأكد من ذلك نقل الباحثون الجين إلى بكتيريا غير قادرة على الهضم. ومن المثير للدهشة أن هذه الميكروبات المعدلة وراثياً اكتسبت قدرات كاملة على إجراء تحلل البيليروبين.

وقال هول: «افترضت النظريات السابقة أن هناك حاجة إلى أربعة إنزيمات منفصلة. لكن إنزيم اختزال البيليروبين وحده يتعامل مع الروابط الأربعة. إنه (سكين الجيش السويسري) في الكيمياء الحيوية».

ثم قام الفريق بتحليل 1801 ميكروبيوم أمعاء بالغ سليم، ووجدوا إنزيم اختزال البيليروبين في 99.9 في المائة من الأفراد، على الرغم من الاختلافات الشاسعة في التركيب الميكروبي. قال جيانغ: «هذا الإنزيم هو حماية بشرية عالمية». ومع ذلك، تتغير الصورة في حالات المرض: أكثر من 30 في المائة من مرضى التهاب الأمعاء، و70 في المائة من الأطفال حديثي الولادة الذين تقل أعمارهم عن شهر واحد يفتقرون إلى البكتيريا المنتجة إنزيم اختزال البيليروبين.

قد يفسر هذا الغياب سبب الإصابة باليرقان عند الأطفال حديثي الولادة بنسبة 60 في المائة من الرضع. وأشار هول إلى أن «ميكروبيوم الأمعاء لم يتم تأسيسه بالكامل عند الولادة، ومن دون إنزيم اختزال البيليروبين، ترتفع إعادة امتصاص البيليروبين، مما يتسبب في الاصفرار الذي نراه». وبالمثل، يمكن أن يؤدي خلل التوازن المعوي المرتبط بالتهاب الأمعاء إلى تفاقم تراكم البيليروبين، مما قد يؤدي إلى تفاقم الالتهاب.

من الاكتشاف إلى العلاج

وقد وصف زاكاري كيب، وهو عالم عقاقير في جامعة كنتاكي غير مشارك في الدراسة، تحديد إنزيم اختزال البيليروبين بأنه «علامة فارقة تفتح الأبواب لاستهداف البيليروبين في أمراض مثل تليف الكبد أو الاضطرابات الوراثية». ومن جهته سلَّط تيري هيندز، وهو باحث مستقل آخر، الضوء على الاحتمالات الانتقالية: «هل يمكننا إنشاء البروبيوتيك باستخدام إنزيم اختزال البيليروبين لعلاج اليرقان؟ أو هندسة نماذج الفئران لدراسة آثاره؟».

ويتطلع جيانغ وهول بالفعل إلى ما هو أبعد من إنزيم اختزال البيليروبين. وأعلنا: «هذا جزء واحد من لغز أكبر. تشفِّر بكتيريا الأمعاء عدداً لا يُحصى من الإنزيمات غير المعروفة المهمة لصحة الإنسان. يمكن أن تساعدنا المعلوماتية الحيوية في العثور عليها».

وتؤكد الدراسة الإدراك المتزايد: تعتمد صحة الإنسان على رقصة تكافلية مع سكاننا الميكروبيين. ويوضح دور إنزيم اختزال البيليروبين في استقلاب البيليروبين كيف تعوِّض بكتيريا الأمعاء «الفجوات» الجينية البشرية. ومع ذلك، وكما أكد هول، «فإن فهم هذا الحوار بين المضيف والميكروبيوم هو المفتاح لاكتشاف علاجات جديدة».

وفي حين أن اكتشاف إنزيم اختزال البيليروبين يعد نوعاً من التحول، فإن الأسئلة لا تزال قائمة. لماذا يفتقر بعض البالغين إلى هذه البكتيريا على الرغم من عدم وجود مرض واضح؟ هل يمكن لمكملات إنزيم اختزال البيليروبين تقليل البيليروبين في الفئات المعرَّضة للخطر؟ وهل يمكن لاستعادة الميكروبات المنتجة لإنزيم اختزال البيليروبين أن تخفِّف من حالات مثل مرض التهاب الأمعاء؟

في الوقت الحالي، جعلَ الفريقُ التسلسلَ الجيني لإنزيم اختزال البيليروبين متاحاً للجمهور، وحثّوا الباحثين العالميين على البناء على نتائج عملهم.