Top

الشكل والوقت يقودان الجيل القادم للصناعات الكيميائية والصيدلانية

15 ديسمبر 2022 أهم المقالات

يطور المختبر الأساسي للنماذج الأولية في كاوست أشكال ثلاثية الأبعاد مصممة بالحاسب الآلي، تستخدم في تطبيقات صناعية متنوعة.

​نشهد هذه الأيام تطورا في مفهوما الشكل والوقت قد يقودان إلى طريقة جديدة في التفكير من أجل إنتاج مواد وأجهزة الجيل القادم للصناعات الكيميائية والصيدلانية.

في هذا السياق، يبحث كارلوس غراندي وفريقه من جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (كاوست) تحديداً في نهوج جديدة لتطوير المفاعلات الكيميائية وعمليات الفصل من منظور التصميم الرياضي.

وعما يعنيه الوقت والشكل واهميتهما في هذا التوجه، يوضح غراندي: "يعتبر الوقت من أكثر المتغيرات أهمية في العديد من العمليات الدورية والمتقطعة، مع أهمية الشكل أيضاً فيما يتعلّق بتطوير عملية النقل، ونقل الحرارة، ونقل الكتلة، وخفض الضغط، إذ يحدد كلٌّ من متغيّري الوقت والشكل جدوى استمرار عملية محددة مثل التفاعل الكيميائي".

يحاول الفريق البحثي، خلال العمل مع الفرق البحثية الأخرى المُصنِّعة للمواد والمحفّزات، تصميم كل شيء حول متغيّري الوقت والشكل لخلق بيئة أفضل لتعزيز خصائص هذين المتغيرين.

يقول غراندي: "حين يتعلّق الأمر بأشكال جديدة، فإنّ ذلك قد يعود بنفع هائل على الأداء، في حالة تصنيع أجزاء جديدة مطوره ومصممه لصالح تطبيق محدد". ويستشهد غراندي بالمفاعلات الكيميائية قائلاً: "إذا استطعنا تطوير نقل الحرارة والكتلة في عملية واحدة، سنستطيع بالضرورة تقليل حجم المعدات واستهلاكها للطاقة بشكل ملحوظ".

ويشار الى ان العديد من المفاعلات متاحة ومتوفرة في كتالوجات، ولا يوجد حاجة لتصنيعها وتصميمها من جديد؛ لكنّ عمليّاً أشكال تلك المفاعلات تؤثر في عملها، وتتحكم في العمليات الكيميائية واستهلاك الطاقة.

بالنسبة لغراندي فانه يود تصنيع مفاعلات وعمليات فصل حسب الطلب، اعتماداً على مفهوم تحكُّمِ الشكل في تطوير خصائص النقل، مما يعني بأن الكيمياء ستتحكم في العملية النهائية.

ويبسّط غراندي الأمر بتشبيهه بالقميص الذي لا يناسبنا، يقول: "نحتاج إلى عمل نظام غذائي، أو بعض التمارين، لتقليل وزننا والوصول لجسدٍ يصبح أكثر ملائمة للقميص، في حين أنّه يمكن إعادة تفصيل القميص للوصول إلى الشكل الذي يلائمنا تماماً".

ويضيف: "تفصيل القماش بالشكل المناسب من البداية، يجنبنا فَقْد قطعاً منه، ما يجعل العملية أكثر استدامة، وإذا كانت الأجزاء مصممة جيّداً، سيصبح الأمر بمثابة ميزة محتملة للتصنيع الإضافي الذي يشمل العديد من التقنيات ". 

كارلوس غراندي، أستاذ مشارك في الهندسة الكيميائية يتوسط أعضاء فريقه في كاوست ويحمل معه أشكال ثلاثية الأبعاد مصممة بالحاسب الآلي. المصدر: كاوستT

تناغم التصميم والنمذجة والطباعة ثلاثية الأبعاد


مما لا شك فيه ان المحاكاة الحاسوبية أدّت لتطورات ضخمة في مجال التصميم الصناعي، لكن غراندي يشير إلى ضرورة أن تتضمن الثورة الحقيقية وجود حالة انسجام بين التصميم والنمذجة والطباعة ثلاثية الأبعاد معاً.

ويضيف:" بإمكاننا الان تصميم أشكال مُخصصة بتعقيدات هائلة، واستخدام مواد أقل؛ ما سيؤدي لتقليل استهلاك الطاقة والمواد، بما في ذلك مرحلة البناء من عملية التصميم".

لذا يركز الفريق على تصميم أشكال جديدة بالطباعة ثلاثية الأبعاد، لكنّ الأهم من ذلك هو أنّ عملية التصميم بأكملها رقمية. وعليه فان الفريق يصمم وينمذج كل قطعة في الآلة، وينتجون فقط في حالة رضاهم التام عن نتائج المحاكاة.

وينصب تركيز الفريق أيضاً على العناصر الداخلية المستخدمة في المفاعلات ووحدات الفصل، والتي تلعب دوراً رئيساً في تعزيز بيئة التوصيل أو حتى لتحسين نقل الكتلة والحرارة.

يقول غراندي: "تصميم العناصر الداخلية مُعقّد؛ إذ إنّه يمكن ارتباط الزيادة الكبيرة في مساحة السطح بانخفاض أعلى في مستوى الضغط، وبالتالي قد تكون مدة العملية أقصر لكنها لا تزال تستهلك طاقة أكبر".

يحاول الفريق إيجاد تصميمات جديدة تعزز من نقل الطاقة والكتلة، والحفاظ على مستوى منخفض من الضغط.

يوضّح غراندي: "طبقاً لعملية المحاكاة التي أجريناها، فإننا نستطيع تصميم عناصر داخلية جديدة تتوافق مع زيادة في خصائص نقل الحرارة بنسبة 15-20 في المئة، ومستوى منخفض من الضغط بنسبة 30 في المئة، ما يعني أنّ كفاءة التصميمات الجديدة مُضاعفة. وامل ان نطور في المستقبل القريب تقنية تعلّم آلي أو ذكاء اصطناعي، يمكنها تحقيق تصميمات مُخصصة حقيقية".

وفي الختام يرى غراندي أنّ هناك افتقاراً في تدريب المهندسين للمساعدة على تصميم الجيل المقبل من المفاعلات، مما قد يقف عائقاً في وجه تقنيات عدّة كالطباعة ثلاثية الأبعاد التي يمكن أن تصبح أكثر استخداماً في الصناعة، وهنا يؤمن غراندي بأن «كاوست» هي التي تمتلك الفرصة الكافية لأن تصبح رائدة في هذا القطاع.