ألياف الكربون: خلال العقد القادم، هل سيتم استبدالها، ترقيتها، أم انخفاض سعرها إلى حد الصفقة الرخيصة؟

إن الألياف الكربونية، تلك المادة التي كانت يوماً محصورة في المجالات النخبوية مثل الفضاء الجوي، قد تسربت الآن بهدوء إلى كل جوانب حياتنا. من الدراجات الهوائية إلى السيارات، ومن شفرات توربينات الرياح إلى معدات الرياضة، نالت الألياف الكربونية لقب "الذهب الأسود" بفضل خصائصها الاستثنائية من حيث القوة والوزن الخفيف.

لكن إلى أين سيتجه ألياف الكربون في العقد القادم؟ هل سيتم استبداله بمواد أكثر تقدمًا؟ هل ستظهر أنواع أعلى جودة؟ هل يمكن أن يصبح سعره في متناول الجميع مثل الصلب؟ دعونا نستكشف معًا المسار المستقبلي لألياف الكربون.

هل سيتم استبدال ألياف الكربون في المستقبل؟

ج: ليس على المدى القريب، لكن هناك مواد منافسة بدأت بالظهور.

تكمن الميزة الأساسية لألياف الكربون في قوته النوعية غير المسبوقة (نسبة القوة إلى الوزن) ومتانته النوعية (نسبة المتانة إلى الوزن). وعلى المدى المنظور، وخاصةً في مجالات الطيران والفضاء، والمعدات الرياضية عالية الجودة، وقطاعات السيارات عالية الأداء، سيظل ألياف الكربون هو الخيار السائد.

ومع ذلك، فإن هناك عدة مواد تنافس ألياف الكربون في مجالات محددة:

المشابك المدعمة بالجرافين: أظهرت مشابك الجرافين إمكانات تفوق ألياف الكربون في البيئات المخبرية، على الرغم من أن الإنتاج الضخم والتكلفة لا يزالان عائقين كبيرين.

ألياف زجاجية عالية الأداء: تقترب أجيال جديدة من الألياف الزجاجية من ألياف الكربون من الفئة المبتدئة من حيث بعض الخصائص، مع كونها أقل تكلفة بشكل كبير، مما يؤدي إلى تقليص حصة سوق ألياف الكربون في القطاع المنخفض.

المركبات المستمدة من مصادر بيولوجية: مع تنامي الإجماع العالمي حول الاستدامة، يشهد استخدام المركبات المشتقة من ألياف النباتات انتشارًا متزايدًا في بعض التطبيقات غير الهيكلية.

لا تزال ألياف الكربون لا يمكن الاستغناء عنها في التطبيقات الراقية، لكنها ستواجه منافسة متزايدة في السوق المتوسطة والمنخفضة.

هل توجد درجة أعلى من ألياف الكربون؟

ج: تم تحقيق تقدم محدود، ولكن تظل هناك حدود فيزيائية.

يُحدد درجة ألياف الكربون بشكل أساسي بواسطة معامل الشد (الصلابة). إن أعلى درجة متوفرة حاليًا، وهي ألياف الكربون M65J، وصلت إلى معامل شد بقيمة 640 جيجا باسكال، وهو ما يقارب الحد النظري البالغ 1000 جيجا باسكال.

سيتمحور تطوير ألياف الكربون في المستقبل حول المجالات التالية:

تحسين الأداء: من خلال تقنية النانو (مثل تعديل أنابيب الكربون النانوية) وسلائف جديدة (مثل الانتقال من القار إلى بوليمرات أكثر وعدًا)، لا تزال خواص ألياف الكربون تحتوي على إمكانية تحسين بنسبة 10-20%.

التكامل متعدد الوظائف: ستتجاوز ألياف الكربون المستقبلية التطبيقات الهيكلية، وقد تدمج ميزات ذكية مثل التوصيل الكهربائي والتوصيل الحراري والقدرات على الإصلاح الذاتي.

ألياف كربون مستدامة: يجري حاليًا تطوير ألياف تُصنع من سلائف بيولوجية (مثل اللجنين). وعلى الرغم من أدائها المحدود قليلًا، إلا أنها توفر انبعاثات كربونية أقل بكثير.

جدير بالذكر: مع اقتراب الأداء من الحدود النظرية، ستزداد تكاليف البحث والتطوير لألياف الكربون عالية الجودة بشكل كبير، مما قد يقيّد استخدامها تجاريًا التطبيق .

هل يمكن أن تصبح ألياف الكربون رخيصة جدًا؟

أ: جزئيًا، لكن الفئة العالية الجودة منتجات ستظل باهظة الثمن.

يتأثر سعر ألياف الكربون بعدة عوامل وقد يشهد تبايناً خلال العقد القادم:

عوامل تقليل السعر:

(1) التوسع في الإنتاج: من المتوقع أن تزداد الطاقة الإنتاجية العالمية من 200,000 طن في عام 2023 إلى أكثر من 400,000 طن بحلول عام 2030.

(2) انخفاض تكاليف المادة الأولية: من المتوقع أن تنخفض أسعار الأكريلونيتريل (المادة الخام الأساسية لألياف الكربون) مع التطورات في تقنيات الهندسة الكيميائية.

(3) ابتكار في عملية التصنيع: ستقلل تقنيات الأكسدة والكربنة السريعة وعمليات المساعدة بالميكروويف من استهلاك الطاقة والتكاليف.

(4) تقنيات إعادة التدوير الناضجة: سيؤدي إعادة التدوير على نطاق واسع إلى تقليل الاعتماد على الألياف الجديدة.

عوائق الأسعار:

(1) إنتاج يتطلب طاقة كبيرة: يستهلك تصنيع ألياف الكربون كميات كبيرة من الطاقة، وتؤثر تقلبات أسعار الطاقة مباشرةً على التكاليف.

(2) الحواجز التقنية للمنتجات عالية الجودة: تظل تقنية إنتاج ألياف الكربون الخاصة بالصناعات الجوية متركزة ضمن عدد محدود من الشركات.

(3) التوازن بين الأداء والتكلفة: يؤدي تحسين الأداء في كثير من الأحيان إلى زيادة التكاليف.

توقعات الأسعار:

(1) ألياف الكربون متعددة الأغراض (درجة T300): قد تنخفض الأسعار من المستوى الحالي البالغ 15–20 دولارًا أمريكيًا للكيلوجرام إلى 10–12 دولارًا أمريكيًا للكيلوجرام.

(2) ألياف الكربون الصناعية: ستتنافس مع الألمنيوم والصلب في التطبيقات متوسطة إلى منخفضة الجودة.

(3) ألياف الكربون المستخدمة في صناعة الطيران والفضاء: ستظل مرتفعة السعر، ومن المتوقع أن تتجاوز 100 دولار أمريكي للكيلوجرام.

ثلاثة اتجاهات رئيسية للمستقبل

أولًا. قطبية سيناريوهات الاستخدام: تسعى القطاعات الراقية (الطيران والفضاء، السيارات الخارقة) إلى تحقيق الأداء الأمثل بغض النظر عن التكلفة؛ بينما تعطي الأسواق الاستهلاكية (السيارات، معدات الرياضة) أولوية للجدوى الاقتصادية، مما يدفع الإنتاج على نطاق واسع.

ثالثًا. إعادة هيكلة القدرات حسب المنطقة: سيؤدي التوسع السريع في الصين لإمكانات إنتاج ألياف الكربون من الاعتماد على الاستيراد إلى الاكتفاء الذاتي والقدرة التنافسية عالميًا، ما قد يؤدي إلى تعديلات في هيكل تسعير ألياف الكربون على مستوى العالم.

لن يتم استبدال مستقبل ألياف الكربون بالكامل، ولن يصبح سلعة عالمية بشكل تام. بل سيسلك مسارًا متفرعًا: حيث ستصبح القطاعات المتميزة أكثر دقة وتطورًا، وتزداد العروض الأساسية بأسعار معقولة، في حين تواجه الفئة المتوسطة التحول الأكبر.

كما لم تختفِ الصلب مع ظهور الألومنيوم، فإن ألياف الكربون ستُحدث لنفسها مكانة لا يمكن الاستغناء عنها ضمن مشهد المواد، وستستمر في التطور لتلبية التحديات والمتطلبات الجديدة.

مدعومًا بمتطلبات الاستدامة والأداء العالي على حد سواء، فإن العقد القادم لألياف الكربون مُهيأ ليكون رحلة تطورية تميزها توازن دقيق.