اهتمت العديد من دول المنطقة العربية بتوطين صناعة السيارات نظرًا لارتباطها بمجال ريادة الأعمال المستدامة. ما يوفر فرص عمل للشباب ويدعم الاقتصاد. كمل تعد صناعة السيارات قاطرة الاقتصاد العالمي بفضل الصناعات المغذية المرتبطة بها، خصوصًا مع تزايد استخدام المكونات المعتمدة على البوليمرات.
كما تلعب البوليمرات، إلى جانب الأتمتة والميكاترونيات وعلوم المواد، دورًا أساسيًا في التقدم الصناعي بمختلف مجالات الحياة.
تستعرض هذه المقالة تطور علم الكيمياء عبر العصور، ودور ريادة الأعمال في مجال صناعة البوليمرات. وتأثيرها في تصميم وتصنيع العديد من مكونات السيارات الحديثة، بالإضافة إلى استشراف مستقبل واعد لصناعة السيارات.
في العصور القديمة: نشأ الإنسان الحديث في أفريقيا منذ آلاف السنين. حيث اعتاد إلقاء قطع الحجارة الصغيرة في النار متأملاً تغيرات الألوان الناتجة عن ذلك. ثم وظفها في حياته البدائية. ومنذ أكثر من 3000 عام قبل الميلاد. سجلت تبادلات ثقافية بين حضارات وادي السِند في الهند ووادي النيل في مصر.
كما نشأت الحضارة المصرية القديمة “الفرعونية” على ضفاف نهر النيل. وبناءً على مفهوم تكريم الموتى والإيمان بالحياة بعد الموت. خاصة إذا كان المتوفى من النبلاء أو من الشخصيات المحبوبة لدى الشعب، استخدم الفراعنة لفائف وخيوط الكتان. والتي ما زالت محفوظة حتى اليوم بفضل المعالجات الكيميائية، بالإضافة إلى كيمياء التحنيط التي لا تزال أسرارها غير مكشوفة بالكامل.
ويعتقد حاليًا من قبل بعض علماء المصريات أن هذه الكيمياء كانت تعتمد على أصماغ طبيعية وزيوت ومستخلصات نباتية عطرية. وذلك استنادًا إلى نتائج التحليل المجهري والكربون المشع الذي يعتمد عليه في فحص البصمة الكيميائية لكل عنصر مكوّن لعملية التحنيط. ما اعتبره العلماء فرصة فريدة لدراسة الكيمياء المصرية القديمة في حالتها غير الملوثة.
في العصر الحديث، يعد جابر بن حيان أبا الكيمياء الحديثة، إذ كان أول من دوّن التجارب والمشاهدات الكيميائية وفسّرها. كما شملت أبحاثه طيفًا واسعًا من المواضيع، وقد ترجمت إلى اللغة اليونانية. لتغدو أول مرجع موثوق، واضعةً أسس علم الكيمياء في القرن الثامن الميلادي.
الثورات الصناعية
كما شهد مسار الكيمياء أول اختراق في فجر الثورات الصناعية. ففي الثورة الصناعية الأولى، التي انطلقت أواخر القرن الثامن عشر وأوائل القرن التاسع عشر، ساهمت شخصيات بارزة مثل جوزيف بريستلي، وأنطوان لافوازييه، وروبرت بويل، في إرساء دعائم الكيمياء الحديثة. مع ذلك، لم تنشأ الهندسة الكيميائية كتخصص مستقل إلا مع الثورة الصناعية الثانية، أواخر القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين.
ركزت التطورات المبكرة في هذه الفترة على تصنيع العمليات الكيميائية، ومنها إنتاج الأصباغ الاصطناعية، مما حفّز تطور أنظمة طلاء السيارات. في ذلك الوقت، أدرك الكيميائيون إمكانية تصنيع جزيئات طويلة السلسلة – البوليمرات – من مونومرات بسيطة. وفي عام 1920، اقترح الكيميائي الألماني هيرمان شتاودينغر مفهوم الجزيئات الكبيرة، ممهدًا الطريق لعلم البوليمرات الحديث. ومن ثم، يُعد علم البوليمرات مجالًا ناشئًا في أوائل القرن العشرين، وبرزت فيه عدة شخصيات مؤثرة، منها والاس كاروثرز، مخترع النايلون عام 1935، وأوتو باير، مخترع البولي يوريثان في النصف الثاني من ثلاثينيات القرن العشرين، ممهّدَين الطريق لإنتاج مواد بوليمرية متميزة.
ويصنّع البلاستيك والمطاط من نفس عائلة المركّبات البوليمرية. تتابعت بعد ذلك مساهمات مهمة من علماء مثل والاس كاروثرز، مطوّر النايلون، وجون ويسلي هايات، مخترع الباكليت، أول بلاستيك صناعي. وبحلول نهاية القرن العشرين، واصل المهندسون الكيميائيون تطوير مركبات البوليمر، فظهرت مواد جديدة أكثر قوة وخفة وتنوعًا من المواد التقليدية، لتحل محل المعادن والزجاج. وقد أُتيح ذلك بفضل ابتكارات في كيمياء البوليمرات، مثل اختراع جوليو ناتا للبولي بروبيلين، وتطوير البولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE).
تخليق وتحسين البوليمرات
نال العديد من العلماء جوائز نوبل في الكيمياء نظير تخليق وتحسين البوليمرات، ومنهم هيرمان شتاودينغر عام 1953، الذي أثبت تجريبياً أن البوليمرات جزيئات طويلة، وجوليو ناتا وكارل زيجلر، اللذان حصلا على الجائزة عام 1963 لأعمالهما في تطوير محفز زيجلر-ناتا المستخدم في تخليق البوليمرات. أما إنجازات أحمد زويل، التي استحق عنها جائزة نوبل في كيمياء الفيمتوثانية عام 1999، فقد فتحت آفاقًا جديدة لفهم التفاعلات الكيميائية على المستوى الذري، مما سهّل تطوير أدوات ومعدات تحليلية تُستخدم في فهم البوليمرات وتفاعلاتها.
نتيجة لذلك، تنتشر أنواع عديدة من البلاستيك في صناعة السيارات، مثل: البولي بروبيلين (PP)، والبولي يوريثين (PU)، وكلوريد البولي فينيل (PVC)، والبولي أميد (PA)، وأكريلونيتريل بوتادين ستايرين (ABS)، والبولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE)، والبولي كربونات (PC)، والبولي بوتيلين تيريفثالات (PBT).
اليوم، تشهد البوليمرات استخدامًا متزايدًا في تصنيع مجموعة واسعة من مكونات السيارة الداخلية والخارجية، بما في ذلك أجزاء المحرك، خزان الوقود والأنابيب، مكونات الدوائر الكهربائية والإلكترونية، أنظمة الفرامل، صناديق السرعات، ومعظم هيكل السيارة. كما تُستخدم البوليمرات بشكل واسع في المقاعد، المفروشات الداخلية، أحزمة الأمان، الوسائد الهوائية، لوحات القيادة، وأنظمة العزل الحراري والصوتي. فعلى سبيل المثال، تُستخدم رغوة البولي يوريثان في تصنيع المقاعد لما تتمتع به من راحة ومتانة، بينما تُستخدم اللدائن الحرارية بشكل متزايد في مكونات لوحة القيادة والكونسول بفضل تعدد استخداماتها وخصائصها الجمالية. وتُستخدم أيضاً ألواح البوليمر المُركبة المقواة بألياف الكربون (CFRP) في السيارات عالية الأداء، إذ يمتاز البوليمر المقوى بألياف الكربون بقدرته العالية على التحمل وخفة وزنه، مما يجعله مثالياً لتعزيز الأداء وتقليل استهلاك الطاقة.
تحسين كفاءة استهلاك الوقود
ويسهم ذلك في تحسين كفاءة استهلاك الوقود وزيادة التوازن الديناميكي أثناء القيادة. وعلى الرغم من استخدام المطاط في صناعة إطارات السيارات لأكثر من قرن، فقد أدت التطورات في كيمياء البوليمرات إلى إنتاج مطاط صناعي متقدم يُحسن من جودة الإطارات ومتانتها، ما يعزز راحة الركوب وأداء السيارات في مختلف الظروف الجوية وحالات الطرق.
كما يستخدم المطاط في تصنيع دعائم نظام التوجيه والتعليق، بالإضافة إلى قواعد المحرك، التي أثبتت فعاليتها في امتصاص الاهتزازات والصدمات بكفاءة عالية. ونظراً لأن السيارات الأخف وزنًا تستهلك طاقة أقل للتحرك، فقد ساهمت هذه التطورات في إحداث نقلة نوعية في أداء السيارات.
بينما لم تقتصر مساهمة تطوير البوليمرات والمواد المركبة على تحسين أداء السيارات بشكل كبير، بل شملت أيضًا جوانب اقتصادية من خلال تقليل معدلات استهلاك الوقود، تعزيز راحة الركاب، والحد من الآثار البيئية.
وفي السياق ذاته، تشير أحدث الإحصاءات إلى أن سوق بلاستيك السيارات شهد نموًا ملحوظًا في السنوات الأخيرة. ومن المتوقع أن يرتفع من 43.29 مليار دولار أمريكي في عام 2024 إلى 47.52 مليار دولار أمريكي. في عام 2025، بمعدل نمو سنوي يقدر بنحو 9.8٪.
تطوير تكنولوجيا البوليمرات ذاتية التشافي
وساهمت ريادة الأعمال والتطورات الحديثة في تكنولوجيا البوليمرات ذاتية التشافي والمواد المركبة في تحقيق أداء عالٍ واختراقات جديدة تنشر بمستقبل واعد لصناعة السيارات. إذ تتمتع هذه البوليمرات بقدرتها على إصلاح الأضرار الطفيفة تلقائيًا، مثل الثقوب أو الخدوش أو الشقوق، ما يطيل عمر بعض قطع غيار السيارات بشكل كبير. فقد طور الباحثون روابط بوليمرية تتضمن كبسولات دقيقة مملوءة بعوامل إصلاح، تنفتح عند تلف المادة لتطلق عوامل الإصلاح التي تلتصق بالشروخ أو الخدوش وتعالجها، كما هو الحال في الإطارات.
ويمكن تطبيق هذه التقنية مستقبلًا على المكونات الخارجية والداخلية للسيارات، لتوفير متانة مستدامة طويلة الأمد وتقليل تكاليف الصيانة. وإلى جانب ذلك، يتوقع أن تحدث البوليمرات الحرارية البلاستيكية المتقدمة تحولًا كبيرًا في طرق إنتاج العديد من قطع غيار السيارات، حيث يمكن صهر هذه المواد وإعادة تشكيلها مرات عدة مع قدر محدود من الإضافات، ما يجعلها أكثر استدامة مقارنة بالبوليمرات الحرارية التقليدية.
وتسهم هذه القدرة على إعادة الاستخدام في تقليل النفايات خلال عمليات التصنيع وتسهل إعادة التدوير، وهو ما يعد عنصرًا بالغ الأهمية في صناعة السيارات نظرًا للاعتبارات البيئية والاجتماعية.
وفي هذا الإطار، بدأت صناعة السيارات بتبني تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد التي تستخدم مجموعة متنوعة من خيوط البوليمرات. ما أتاح إمكانية تصنيع نماذج أولية بسرعة وإنتاج قطع غيار معقدة بأقل قدر من النفايات. بينما لا تقتصر مزايا الطباعة ثلاثية الأبعاد باستخدام البوليمرات على خفض التكاليف. بل تتيح أيضًا تحكمًا أكبر في دقة تنفيذ تصاميم القطع، بما يعزز من كفاءة السيارات وأدائها التشغيلي في المستقبل.
تطوير الروابط التساهمية الديناميكية
يعد تطوير الروابط التساهمية الديناميكية من أبرز الاكتشافات الحديثة في مجال البوليمرات. وفي إطار ريادة الأعمال الحديثة، طوّر البروفيسور صلاح علي وزملاؤه مواد بوليمرية معززة بأنابيب الكربون النانوية (CNTs) بهدف تحسين الخواص الاحتكاكية لأسطح فرامل السيارات.
وقد ابتكر كيميائيون مثل ك. باري شاربلس هذه الروابط لإنتاج تفاعلات كيميائية قوية وفعّالة يمكن توظيفها بطرق مبتكرة. ويفضي ذلك إلى تطوير بوليمرات ذات خصائص يمكن التحكم بها بدقة، تصمم وتنفذ لتطبيقات خاصة، مثل الأسطوانات غير المعدنية القوية لتخزين الوقود الغازي حاليًا والهيدروجيني مستقبلًا، والمصممة لتحمل ضغوط عالية.
علاوةً على ذلك، تتيح الروابط التساهمية الديناميكية تصنيع بوليمرات قابلة لإعادة التشكيل بالحرارة أو الضغط، ما يفتح آفاقًا جديدة أمام المواد ذاتية التجميع والتشافي، وقد يتيح تحويلها إلى قطع غيار قابلة لإعادة التشكيل في السيارات.
بينما من المتوقع أن يحدث هذا التزاوج بين الروابط الكيميائية المتقدمة تحولًا جذريًا في صناعة السيارات عبر تمكين تطوير مواد ذكية تستجيب للتغيرات البيئية. وقد كشفت اكتشافات حديثة في مجال البوليمرات، أعلن عنها البروفيسور صلاح علي وزملاؤه، عن إمكانيات تصميم جديد للجيل القادم من المركبات. كما أثبتوا أن استخدام أنابيب الكربون النانوية يحدث تحولًا في صناعة مكابس المحركات. وأظهرت الدراسة أن إضافة الأنابيب الكربونية النانومترية مفيدة للغاية في إنتاج مواد مركبة مبتكرة لصناعة السيارات.
تفاصيل استخدام البوليمرات
إضافة إلى ذلك، كشف البروفيسور علي وفريقه خلال هذا العام عن تفاصيل. تتعلق باستخدام البوليمرات في تطوير أنظمة إنتاج الهيدروجين الأخضر. والذي من المحتمل أن يحدث تحولًا كبيرًا في قطاع صناعة السيارات.
ومما سبق يمكن استخلاص الآتي:
البوليمرات والخيوط تعد فرعًا كيميائيًا له تاريخ عريق منذ أقدم العصور. وفي الوقت نفسه ما زال يتطور بفضل الجهود الريادية والعلمية المستمرة حول العالم.
لقد أحدثت الكيمياء، وخاصة الكيمياء المتقدمة في مجال البوليمرات ومشتقاتها. تغييرات جذرية في صناعة السيارات، بدءًا من إنتاج وتحسين جودة الزيوت والوقودات، مرورًا بتصميم سيارات أكثر خفة وتقليل استهلاك الوقود. وانتهاءً بامتصاص الصدمات بهدف تعزيز الأداء، وراحة الركوب، وتحقيق التشغيل الأمثل، والاستدامة. إلى جانب خفض التكلفة الأولية لاقتناء السيارات الجديدة.
لقد أسس التطور التاريخي لكيمياء البوليمرات قاعدة صلبة للعديد من الابتكارات الريادية، حيث تسهم الشخصيات والاكتشافات الرائدة في رسم ملامح مستقبل تكنولوجيا السيارات. ومع استمرار تطور هذا المجال، تظل الروابط الكيميائية الجديدة، مثل الروابط التساهمية الديناميكية التي تدرس باستخدام تقنية الفيمتوثانية. تسهم في تحسين خصائص المواد البوليمرية، ودعم تصميم وتصنيع قطع الغيار. ما يجعلها أكثر كفاءة واستدامة في المستقبل.
تتناول الروابط التساهمية الديناميكية دراسة حركة وتفاعل ذرات البوليمرات، ويمكن تتبعها بدقة باستخدام تقنية الفيمتوثانية، وهي وحدة زمنية فائقة القِصر (10⁻¹⁵ ثانية)، تكفي لرصد حركة الذرات والجزيئات أثناء التفاعلات الكيميائية. ويعزز هذا، إلى جانب تطور علم القياس وتكنولوجيا النانو والميكاترونيات، من الأداء والمسؤولية البيئية، ويساهم في نمو وازدهار الاقتصاد العالمي.
وقد شهد استخدام المواد البوليمرية في صناعة السيارات نموًا ملحوظًا في السنوات الأخيرة، حيث بلغ معدل الزيادة نحو 10% سنويًا، ولا تزال الجهود مستمرة.
ختامًا، يمكن القول في المستقبل القريب، وفي مقال جديد، إن سر تقدم وتفوق السيارات الكهربائية قد يكمن في التركيب الكيميائي لبطارياتها، بصرف النظر عن مدى تأييد هذه التقنية أو الاهتمام بها.
مقال: د/ صلاح حامد رمضان علي
