تُعنى مجموعة انتقالات الطاقة المستدامة التابعة لمالابراجادا باستخدام منهجيات النمذجة الرياضية لتحليل التقنيات منخفضة الكربون ودمجها في أنظمة الطاقة المختلفة، في سياقات سياسية وجغرافية متعددة. ويهدف البحث إلى إنتاج المعرفة والأدوات التحليلية لدعم تسريع انتقالات الطاقة في الاقتصادات المتقدمة مثل الولايات المتحدة، وكذلك في البلدان الناشئة والنامية في الجنوب العالمي، التي تُعدّ محورية في جهود التخفيف من آثار تغير المناخ العالمية.

ربط البحث بالواقع

يقول مالابراجادا: “تركز مجموعتنا على تصميم وتطوير تقنيات الطاقة الناشئة، وضمان اندماجها بسلاسة في أنظمة الطاقة المتطورة بسرعة”، ويستخدم فريقه أدوات محاكاة ونماذج متطورة لتجسيد التحدي المزدوج: توسيع نطاق الاكتشافات العلمية من المختبر مع التكيف مع الحقائق الديناميكية لشُبَكات الطاقة الحديثة.

“أنظمة الطاقة ليست ثابتة”، شدّد على ذلك. “ما قد يكون هدف تصميم مثالي اليوم قد يتغير غداً. هدفنا هو تزويد أصحاب المصلحة – سواء كانوا صناع سياسات أو رأسماليين مغامرين أو قادة في الصناعة – بمعلومات عملية توجه كل من تطوير البحوث والسياسات.”

ديريك مالابراجادا، أستاذ مساعد في الهندسة الكيميائية والبيولوجية في جامعة نيويورك تان دون.

غالبًا ما يستخدم بحث مالابراجادا دراسات الحالة لتوضيح تحديات دمج التقنيات الجديدة. ومن الأمثلة البارزة إنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للماء—عملية تُوعد بإنتاج هيدروجين منخفض الكربون ولكنها تأتي مع مجموعة فريدة من العقبات.

“لإنتاج الهيدروجين منخفض الكربون عن طريق التحليل الكهربائي، يجب أن تكون الكهرباء المستخدمة نظيفة”، أوضح. “هذا يثير تساؤلات حول الطلب على الكهرباء النظيفة وتأثيرها على إزالة الكربون من الشبكة الكهربائية. هل هذا الطلب الجديد يُسرّع أو يُعيق قدرتنا على إزالة الكربون من الشبكة؟”

إضافةً إلى ذلك، على مستوى المعدات، تتواجد تحديات كثيرة. مُحلِّلات كهربائية قادرة على العمل بمرونة، لاستخدام مصادر الطاقة المتجددة المتقطعة مثل الرياح والشمس، غالبًا ما تعتمد على معادن ثمينة مثل الإيريديوم، والتي ليست مكلفة فقط بل تُنتَج أيضًا بكميات قليلة حاليًا. قد يتطلب توسيع هذه الأنظمة لتحقيق أهداف خفض انبعاثات الكربون العالمية توسيعًا كبيرًا لسلاسل إمداد المواد.

قال مالابراجادا: “نحن نُحلِّل سلاسل الإمداد للعمليات الجديدة لتقييم كيفية تأثير استخدام المعادن الثمينة وغيرها من معايير الأداء على آفاق التوسع في العقود القادمة”. “هذا التحليل يُترجم إلى أهداف ملموسة للباحثين، ويُوجِّه تطوير تقنيات بديلة تُوازن بين الكفاءة والتوسع ووفرة الموارد”.

بخلاف زملائه الذين يطورون محفزات جديدة أو مواد جديدة، يركز مالابراجادا على أطر دعم القرار التي تربط الابتكار في المختبر بالتنفيذ على نطاق واسع. قال: “يُساعد نموذجنا في تحديد القيود في المراحل المبكرة، سواء كانت ناجمة عن سلاسل إمداد المواد أو تكاليف الإنتاج، والتي قد تعيق القدرة على التوسع.”

على سبيل المثال، إذا أدى محفز جديد أداءً جيدًا ولكنه يعتمد على مواد نادرة، فإن فريقه يقيم جدواه من منظور كل من التكلفة والاستدامة. يُرشد هذا النهج الباحثين حول توجيه جهودهم، سواءً كان ذلك لتحسين الاختيارية أو تقليل استهلاك الطاقة أو تقليل الاعتماد على الموارد.

يُعد قطاع الطيران قطاعًا مُعقدًا بشكل خاص فيما يتعلق بخفض الانبعاثات الكربونية بسبب احتياجاته الفريدة من الطاقة والقيود الصارمة على الوزن والقدرة. الطاقة المطلوبة للإقلاع، بالإضافة إلى الحاجة إلى قدرات رحلات طويلة، تتطلب وقودًا عالي الكثافة من حيث الطاقة، والذي يُقلل من الحجم والوزن. ويتم تحقيق ذلك حاليًا باستخدام محركات الدفع الغازية المُدفوعة بالوقود السائل التقليدي للطيران.

أشار إلى أن “القدرة المطلوبة للإقلاع تحدد الحد الأدنى من متطلبات القدرة”، مُشددًا على العقبات التقنية في تصميم أنظمة الدفع التي تلبي هذه المتطلبات مع تقليل انبعاثات الكربون.

مالابراجادا يُبرز استراتيجيتين رئيسيتين للتخفيف من انبعاثات الكربون: استخدام الوقود السائل المتجدد، مثل تلك المستخرجة من الكتل الحيوية، والكهرباء، الذي يمكن تطبيقه عبر أنظمة مزودة ببطاريات أو وقود الهيدروجين. ورغم أن التكهرب حظي باهتمام كبير، إلا أنه لا يزال في بداياته في تطبيقات الطيران. ويُعدُّ الهيدروجين، مع طاقته العالية لكل وحدة كتلة، بديلاً نظيفًا وواعدًا. ومع ذلك، توجد تحديات كبيرة في تخزين الهيدروجين وتطوير تقنيات الدفع اللازمة.

فحص بحث مالابراجادا القدرة المطلوبة لتحقيق انخفاض صفري في الحمولة، وانخفاض الحمولة المطلوبة لتلبية القدرة النوعية المتغيرة لخلايا الوقود المستهدفة، من بين عوامل أخرى.

يتّسم الهيدروجين بكثافة طاقة عالية بالنسبة لكتلته، مما يجعله خيارًا جذابًا للتطبيقات الحساسة للوزن، مثل الطيران. ومع ذلك، يتطلب تخزين الهيدروجين بكفاءة على طائرة إما تبريده إلى السائل، الأمر الذي يتطلب تبريدًا شديدًا إلى -253 درجة مئوية، أو احتوائه تحت ضغط عالٍ، الأمر الذي يتطلب أنظمة تخزين متينة وثقيلة. تُشكّل هذه التحديات في التخزين، بالإضافة إلى الحاجة إلى خلايا وقود متطورة ذات كثافة عالية في القدرة النوعية، حواجز كبيرة أمام توسيع نطاق الطيران المُحرك بالهيدروجين.

ركز بحث مالابراجادا حول استخدام الهيدروجين في مجال الطيران على متطلبات الأداء لنظم تخزين الهيدروجين على متن الطائرات و خلايا الوقود للرحلات التي تقل مدتها عن 1000 ميل بحري (مثلًا من نيويورك إلى شيكاغو)، والتي تمثل قطاعًا أصغر لكنه مهم من قطاع صناعة الطيران. وقد حدد البحث الحاجة إلى تقدم في أنظمة تخزين الهيدروجين وخلايا الوقود لضمان عدم التأثير على طاقة الحمولة. فتقنيات هذه الأنظمة الحالية تتطلب تخفيضات في حمولة الطائرة، مما يؤدي إلى زيادة تكرار الرحلات وارتفاع التكاليف.

“أنظمة الطاقة ليست ثابتة. ما قد يكون هدف تصميم مثالي اليوم قد يتغير غدًا. هدفنا هو تزويد أصحاب المصلحة – سواء كانوا صناع سياسات أو رؤوس أموال أو قادة في الصناعة – بمعلومات عملية توجه كل من البحث وتطوير السياسات.” —ذاريك مالابراجادا، جامعة نيويورك تان دون

من الاعتبارات المحورية في اعتماد الهيدروجين للطيران، التأثير المُسبق على إنتاج الهيدروجين. فقد يُزيد الطلب الإضافي من الطيران الإقليمي بشكلٍ كبير من إجمالي الهيدروجين المطلوب في اقتصادٍ منخفض الكربون. وسوف يُضع هذا الإنتاج، وبخاصة من خلال التحليل الكهربائي المُدعم بالطاقة المتجددة، طلبات إضافية على شبكات الطاقة، ويُلزم توسعاً إضافياً في البنية التحتية.

يستكشف تحليل مالابراجادا كيف يتفاعل هذا الطلب مع اعتماد الهيدروجين الأوسع في القطاعات الأخرى، مع مراعاة الحاجة إلى تقنيات التقاط الكربون، والآثار على التكلفة الإجمالية لإنتاج الهيدروجين. ويُبرز هذا المنظورُ النظامي تعقيد دمج الهيدروجين في قطاع الطيران مع الحفاظ على أهداف خفض انبعاثات الكربون الأوسع.

تسليط عمل مالابراجادا الضوء على أهمية التعاون بين التخصصات والقطاعات. من تحديد الاختناقات التكنولوجية إلى تشكيل حوافز السياسات، يُمثّل بحث فريقه جسراً هاماً بين الاكتشاف العلمي وتحقيق التحول المجتمعي.

مع تطور النظام العالمي للطاقة، يُضيء الباحثون مثل مالابراجادا الطريق الأمامي – مُساعدين على ضمان أن الابتكار ليس فقط ممكناً بل عملياً أيضاً.

المصدر: المصدر