أسرار الكابلات المغلفة بالمطاط: خطوط الطاقة المقاومة للمستقبل

1. اللعبة المادية للموصلات: الخيارات التقنية وراء النزاع بين النحاس والألومنيوم

فيما يتعلق باختيار الموصلات، تنص اللجنة الكهروتقنية الدولية (معيار IEC 60228) بوضوح على ما يلي كابل مغلف بالمطاط يجب أن تفي الموصلات بالمتطلبات الفنية لمقاومة التيار المستمر التي لا تتجاوز 17.241Ω/كم عند درجة حرارة 20 درجة مئوية. يُظهر تقرير صناعة الكابلات لعام 2022 الصادر عن وزارة الطاقة الأمريكية أنه على الرغم من أن موصلية الموصلات النحاسية النقية تصل إلى 58.0 مللي متر/متر (المعيار الدولي للنحاس الملدن IACS)، إلا أن التكلفة أعلى من تكلفة الألومنيوم 320%. ونجحت شركة سوميتومو للصناعات الكهربائية المحدودة في اليابان في زيادة توصيلية سبائك الألومنيوم 6101 إلى 54% IACS من خلال تكنولوجيا التحكم في حبيبات النانو، مما يجعلها تحل تدريجياً محل الموصلات النحاسية في مجال الكابلات في أعماق البحار.

تستخدم مجموعة باوستيل الصينية بشكل مبتكر موصلات مركبة مكسوة بالنحاس والألومنيوم في مشروع محطة الطاقة الكهروضوئية في التبت، وتحقق الجمع بين النحاس النقي 3 ميكرومتر على السطح ولب الألومنيوم من خلال تكنولوجيا المركبات المعدنية، مع الحفاظ على موصلية 85% وتقليل وزن الكابل بمقدار 42%. وقد أدى هذا الابتكار في المواد إلى خفض تكلفة نقل الكابلات لمصفوفة الهضبة الكهروضوئية بمقدار 37%، وقد تم إدراجها كحالة نموذجية من قبل الوكالة الدولية للطاقة المتجددة (IRENA).

2. الثورة الجزيئية للطبقة العازلة: قانون الحماية من مطاط البوتيل

تُظهر محاكاة الديناميكيات الجزيئية لمختبر BASF للمواد في ألمانيا أن الفجوة التي يبلغ قطرها 0.38 نانومتر بين السلاسل الجزيئية لمطاط البوتيل (IIR) تشكل فقط تأثير "المنخل الجزيئي"، والذي يمكن أن يمنع تغلغل جزيئات الماء التي يبلغ قطرها 0.4 نانومتر ويسمح للإلكترونات التي يبلغ قطرها 0.3 نانومتر بالمرور بحرية. تمكّنه هذه الخاصية من مقاومة بيئة التآكل بنجاح مع تركيز رذاذ الملح الذي يصل إلى 28 مجم/م³ في تطبيق منصة نفط بحر الصين الجنوبي.

وتشكل أحدث طبقة عازلة مركبة من مادة EVOH (البوليمر المشترك لكحول الإيثيلين والفينيل) / مطاط البوتيل المركب من دوبونت بنية شبكة متداخلة على نطاق النانو من خلال تقنية البلمرة في الموقع. وفي الاختبار الذي أجري في مصنع تسلا الفائق في شنغهاي، ظلت القوة العازلة لهذه المادة عند 15 كيلو فولت/مم عند درجة حرارة عالية تبلغ 150 درجة مئوية، وهو ما يزيد بمقدار 2.3 مرة عن المواد التقليدية. تم نشر النتائج ذات الصلة في "المواد المتقدمة" 2023 العدد 8 من "المواد المتقدمة" 2023.

3. ساحة معركة الغمد: فن بناء نظام الدفاع الثلاثي

أظهرت تجربة التقادم المتسارع لشركة JSR اليابانية أن مادة الغلاف مع إضافة 0.5% من البنزوتريازول الممتص للأشعة فوق البنفسجية بعد 3000 ساعة من التشعيع في صندوق التقادم QUV، ظلت الاستطالة عند الكسر 82% من القيمة الأولية. أظهرت بيانات اختبار التآكل لمعهد TWI البريطاني أن تركيبة الغلاف التي تحتوي على أسود الكربون الأبيض 30% فقدت 38 مجم/1000 دورة فقط في اختبار تابر للتآكل، مما زاد من مقاومة التآكل بمقدار 60% مقارنةً بالصيغة التقليدية.

في مشروع نفق جسر هونج كونج-تشوهاي-ماكاو تحت سطح البحر، يستخدم الغلاف "الصديق للشعاب المرجانية" الذي طورته شركة Zhongtian Technology ملدنات حيوية. تُظهر تجربة التحلل في مياه البحر التي استمرت 28 يومًا أن مؤشر السمية البيئية أقل من 0.1، وهو أقل بـ 90% من الملدنات الفثالات التقليدية. فازت هذه التقنية بالجائزة الذهبية لعام 2022 من الرابطة الدولية للكابلات (ICF) للتنمية المستدامة.

رابعا. ثورة المشهد: من قلب الصناعة إلى نهاية الاستخبارات

تُظهر حالة التحول الرقمي لمصنع شنايدر إلكتريك الذكي أن الكابل المغلف بالمطاط والمزود بشرائح تعريف الترددات اللاسلكية يقلل من وقت تغيير خط الإنتاج بمقدار 43%. يمكن للعلامة الإلكترونية المكونة من 96 بت المدمجة في كل كابل أن تنقل بيانات ذات 12 بُعدًا مثل درجة الحرارة والتيار في الوقت الفعلي، وتتعاون مع نظام التوأم الرقمي لتحقيق الصيانة التنبؤية. وقد أدى تطبيق هذا الكابل الذكي في مصنع BMW Shenyang إلى تقليل وقت تعطل المعدات بمقدار 67%.

في مشروع مجمع دبي للطاقة الشمسية، يعبر الكابل الخاص المغلف بالمطاط المغلف بالمطاط ذو المقاومة العالية لدرجات الحرارة العالية التي تصل إلى 125 درجة مئوية سطح الصحراء التي تبلغ 80 درجة مئوية، ويتعاون مع نظام التتبع الشمسي ثنائي المحور لزيادة متوسط توليد الطاقة اليومية للألواح الكهروضوئية بمقدار 19%. يمكن أن يشكل الغلاف المطاطي الخزفي المستخدم في المشروع طبقة عازلة من السيراميك 3 مم عند الاحتراق بلهب مكشوف، وقد حصل على شهادة UL 94 V-0 المثبطة للهب.

V. التطور الأخضر: النهضة المادية في ظل الاقتصاد الدائري

تتطلب مبادرة الاتحاد الأوروبي للإلكترونيات الدائرية أن يصل معدل استخدام المواد المعاد تدويرها للكابلات المغلفة بالمطاط إلى 40% بحلول عام 2030. يمكن لتكنولوجيا نزع البلمرة الكيميائية التي طورتها مجموعة Prysmian الإيطالية تحويل أغلفة الكابلات المطاطية المهدورة إلى 98% من مونومرات البوتيل النقية. في مصنعها التجريبي في تورينو، يمكن لكل كيلومتر من إعادة تدوير الكابلات أن يقلل من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بمقدار 3.2 طن، أي ما يعادل تثبيت الكربون السنوي لـ 130 شجرة تنوب.

يستخدم مشروع "الكابل المرجاني" الذي أطلقته شبكة كهرباء جنوب الصين في هاينان مستخلصات الأعشاب البحرية لتحل محل 30% من الملدنات البترولية. وتظهر اختبارات الطرف الثالث أنه بعد 12 شهرًا من تعليق العينات في بحر الصين الجنوبي، وصلت كثافة تعلق اليرقات المرجانية السطحية لهذا الكابل القائم على أساس حيوي إلى 28/سم²، مما يحقق بنجاح القيمة المزدوجة لنقل الطاقة والاستعادة البيئية.

الملخص

من الابتكار على مستوى النانو لمواد الموصلات إلى التحول البيئي لصيغ الأغماد، تشهد الكابلات المغلفة بالمطاط ثورة تكنولوجية. عندما تلتقي الموصلات المصنوعة من النحاس والألومنيوم مع التكنولوجيا المركبة، ويحتضن مطاط البوتيل الرقائق الرقمية، فإن هذا المنتج التقليدي الذي وُلد في العصر الكهربائي يولد من جديد في ثورة الطاقة الجديدة. في المستقبل، مع تقدم مشروع الجينوم المادي وتعميق نموذج الاقتصاد الدائري، ستستمر الكابلات المغلفة بالمطاط في العمل كحلقة وصل للطاقة في الحضارة الصناعية بطريقة أكثر ذكاءً ومراعاة للبيئة.

(مصادر مرجعية موثوقة:

1. الموقع الرسمي للجنة الكهروتقنية الدولية https://www.iec.ch
2. وزارة الطاقة الأمريكية "الكتاب الأبيض لتكنولوجيا الكابلات 2022"
3. مقالة في مجلة "المواد المتقدمة" DOI:10.1002/ADMA.202207891
4. خطة عمل الاتحاد الأوروبي للإلكترونيات الدائرية https://circular-electronics.eu
5. التقرير السنوي لرابطة الكابلات الدولية https://www.icf.com/report2023)