زجاج الأسد، زجاج جديد قوي وصديق للبيئة

على الصعيد العالم، تنتج صناعة الزجاج ما لا يقل عن 86 مليون طن من ثاني أكسيد الكربون سنويًا. ومع ذلك، فإن نوعًا جديدًا من الزجاج يسمى زجاج الأسد، طوره باحثو ولاية بنسلفانيا ، يوفر إمكانية تقليل ناتج الكربون هذا بنسبة 50٪. لا يتطلب هذا الزجاج المبتكر طاقة أقل بكثير للإنتاج فحسب ، ولكنه يتميز أيضًا بمقاومة أكبر للتلف مقارنة بزجاج سيليكات الصودا والجير التقليدي. قدم العلماء الذين يقفون وراء هذا الاختراق مؤخرًا طلب براءة اختراع ، مما يمثل الخطوة الأولية نحو تقديم زجاج الأسد إلى السوق.

“هدفنا هو جعل تصنيع الزجاج مستدامًا على المدى الطويل، ” قال جون ماورو، أستاذ دوروثي بات إنرايت لعلوم وهندسة المواد في ولاية بنسلفانيا وباحث رئيسي في المشروع.” “يلغي زجاج الأسد استخدام مواد الخلطة المحتوية على الكربون ويخفض بدرجة كبيرة درجة حرارة انصهار الزجاج.”

مقال ذا صلة: الموصل الفائق في درجة حرارة الغرفة LK-99

لماذا زجاج الأسد الجديد مهم وما هي كيفية تصنيع الزجاج القديم

زجاج سيليكات الجير الصودا، الزجاج الشائع المستخدم في الأغراض اليومية من النوافذ إلى أدوات المائدة الزجاجية، مصنوع من خلال صهر ثلاث مواد أساسية: رمل الكوارتز، ورماد الصودا، والحجر الجيري. رماد الصودا عبارة عن كربونات الصوديوم والحجر الجيري عبارة عن كربونات الكالسيوم، وكلاهما يطلق ثاني أكسيد الكربون (CO2)، وهو غاز دفيئة يحبس الحرارة، أثناء ذوبانهما.

قال ماورو: “أثناء عملية صهر الزجاج ، تتحلل الكربونات إلى أكاسيد وتنتج ثاني أكسيد الكربون، والذي يتم إطلاقه في الغلاف الجوي”.

مقال ذا صلة: مشاريع الهندسة الكهربائية المبهرة للطلاب الجامعيين

لماذا الزجاج القديم غير صديق للبيئة

لكن الجزء الأكبر من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون يأتي من الطاقة اللازمة لتسخين الأفران إلى درجات الحرارة العالية اللازمة لصهر الزجاج. وأوضح ماورو أنه مع زجاج الأسد، يتم خفض درجات حرارة الانصهار بحوالي 300 إلى 400 درجة مئوية، مما يؤدي إلى انخفاض بنسبة 30٪ تقريبًا في استهلاك الطاقة مقارنة بزجاج جير الصودا التقليدي.

لا يعتبر الزجاج الجديد أفضل في البيئة فحسب، ولكنه أيضًا أقوى بكثير من الزجاج التقليدي. قال الباحثون إنهم فوجئوا عندما اكتشفوا أن الزجاج الجديد، الذي سمي على اسم تعويذة “Nittany Lion” في ولاية بنسلفانيا، يتمتع بمقاومة أعلى للتشقق مقارنة بالزجاج التقليدي.

مقال ذا صلة: أفضل كليات الهندسة الميكانيكية على مستوى العالم

قوة زجاج الأسد التي تجعله أفضل من التقليدي

أقوى على الأقل بعشر مرات من الزجاج التقليدي

تمتاز بعض تركيبات الفريق الزجاجية بمقاومة قوية للتصدع بحيث لا يتصدع الزجاج. حتى تحت حمولة قوة كيلوغرام واحد من ماسورة فيكرز للماس. يعتبر زجاج الأسد مقاومًا للتشقق بعشر مرات على الأقل مقارنة بزجاج الجير الصودا القياسي. والذي يشكل شقوقًا تحت حمولة تبلغ حوالي 0.1 كيلوجرام من القوة. كما أوضح الباحثون أن حدود زجاج الأسد لم يتم العثور عليها بعد. لأنها وصلت إلى الحد الأقصى للحمل الذي تسمح به معدات المسافة البادئة.

قال نيك كلارك، زميل ما بعد الدكتوراه في مختبر ماورو: “لقد واصلنا زيادة الوزن على زجاج الأسد حتى وصلنا إلى الحد الأقصى للحمل الذي تسمح به المعدات”. “ببساطة لن ينكسر.”

مقال ذا صلة: رواتب الهندسة الميكانيكية في جميع أنحاء العالم

مقاوم للكسر والتشققات

أوضح ماورو أن مقاومة التشقق هي واحدة من أهم الصفات التي يجب اختبارها في الزجاج لأن هذه هي الطريقة التي تفشل بها المادة في النهاية. كما بمرور الوقت، يطور الزجاج تشققات صغيرة على طول السطح، والتي تصبح نقاط ضعف. عندما تنكسر قطعة من الزجاج، يكون ذلك بسبب نقاط الضعف التي تسببها التشققات الدقيقة الموجودة. وأضاف أن الزجاج المقاوم لتشكيل الشقوق الدقيقة في المقام الأول له قيمة خاصة.

قال ماورو: “تعتبر مقاومة التلف خاصية مهمة بشكل خاص للزجاج”. “فكر في جميع الطرق التي نعتمد بها على قوة الزجاج، في صناعة السيارات وصناعة الإلكترونيات. والهندسة المعمارية، وتكنولوجيا الاتصالات مثل كابلات الألياف البصرية. حتى في مجال الرعاية الصحية، يتم تخزين اللقاحات في عبوات زجاجية قوية ومقاومة كيميائيًا”.

مقال ذا صلة: يُظهر تلسكوب جيمس ويب الفضائي مواسم الميل والفصول الشديدة لأورانوس

أخف وزنا

كما يأمل ماورو في أن تكون قوة زجاج الأسد المحسّنة تعني أن المنتجات التي تم إنشاؤها منه يمكن أن تكون أخف وزنًا. كما أنه نظرًا لأن زجاج الأسد أكثر مقاومة للتلف بعشر مرات من الزجاج الحالي، فقد يكون أرق بشكل ملحوظ.

قال ماورو: “يجب أن نكون قادرين على تقليل السماكة وأن نحصل على نفس المستوى من مقاومة الضرر”. “إذا كان لدينا منتج أخف وزنًا، فهذا أفضل للبيئة، لأننا نستخدم مواد خام أقل ونحتاج إلى طاقة أقل لإنتاجه. حتى المصب، بالنسبة للنقل، فإن ذلك يقلل من الطاقة اللازمة لنقل الزجاج، لذا فهو وضع مربح للجميع “.

زجاج الأسد الجديد لا يزال قيد التطوير والبحث عن التطبيقات المحتملة

كما يلاحظ ماورو أن فريق البحث لا يزال يقيم إمكانات الزجاج الجديد. كما أنهم قد قاموا بتقديم طلب براءة اختراع لعائلة الزجاج بأكملها، مما يعني أن هناك العديد من التراكيب داخل عائلة زجاج الأسد، لكل منها خصائصه المميزة والتطبيقات المحتملة. كذلك إنهم الآن بصدد تعريض تركيبات مختلفة من زجاج الأسد لمجموعة من البيئات الكيميائية لدراسة كيفية تفاعلها. بما أنها ستساعد النتائج الفريق على تطوير فهم أفضل لكيفية استخدام زجاج الأسد في جميع أنحاء العالم.

أيضاً قال ماورو: “لقد تعلم البشر كيفية تصنيع الزجاج منذ أكثر من 5000 عام، ومنذ ذلك الحين أصبح من الضروري نقل الحضارة الحديثة إلى ما هي عليه اليوم”. “الآن، نحن في وقت نحتاج فيه إلى المساعدة في تشكيل المستقبل، حيث نواجه تحديات عالمية مثل القضايا البيئية، والطاقة المتجددة، وكفاءة الطاقة، والرعاية الصحية، والحضارة.

مصدر البحث هنا