سعود العصيميتخيّل أن كل خطوة تخطوها في المطار أو المحطة أو الشارع تُولّد كهرباء حقيقية. إنها الطاقة الكهروضغطية.
البداية في مختبر باريسي
في عام 1880، كان الأخوان بيير وجاك كوري يدرسان البلّورات في مختبر باريسي حين لاحظا ظاهرة غريبة: بعض المواد تُصدر شحنة كهربائية عند الضغط عليها. لم يكن أحد يتخيّل حينها أن هذا الاكتشاف الصغير سيتحوّل بعد قرن ونصف إلى تقنية قادرة على حصاد الطاقة من خطوات المشاة في شوارع المدن الكبرى.
الكهروضغطية — أو Piezoelectricity من اليونانية “piezein” بمعنى الضغط — هي قدرة بعض المواد البلّورية على تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية عند تعرّضها للضغط أو الاهتزاز أو الانحناء. والعكس صحيح أيضاً: إذا مررت تياراً كهربائياً خلال هذه المواد فإنها تتشوّه ميكانيكياً — وهو ما يُسمى التأثير العكسي، المستخدم في رؤوس الطباعة وأجهزة الموجات فوق الصوتية.
كيف تتحوّل الخطوة إلى كهرباء؟
الإجابة تكمن في البنية الداخلية للمادة. في حالة الاتزان، تكون الشحنات الموجبة والسالبة داخل الشبكة البلّورية متوازنةً تماماً فلا ينشأ أي مجال كهربائي. لكن حين تُطبّق قوة خارجية — وطء قدم، اهتزاز محرّك، أو حتى موجة صوتية — تتشوّه هذه الشبكة وتتفرّق مراكز الشحنات لتنشأ ثنائي قطب كهربائي يُولّد فرق جهد بين وجهَي المادة.
مراحل التحوّل الثلاث:
قوة ميكانيكية ← مادة بلّورية (تشوّه + فصل شحنات) ← جهد كهربائي قابل للاستخدام
هذا التيار يُجمع عبر أقطاب كهربائية مُثبّتة على وجهَي اللوح البلّوري، ثم يمر بدوائر تصحيح وتخزين قبل أن يُستخدم في تشغيل الأجهزة أو شحن البطاريات. البساطة المُبهرة لهذا المبدأ هي ما جعله محلّ اهتمام العلماء والمهندسين على مدى أكثر من قرن.
المواد
كوارتز السيليكا (Quartz) الأقدم والأكثر استقراراً. كفاءة تصل إلى 95% عند الرنين الصوتي. يُستخدم في الساعات والمستشعرات الدقيقة منذ القرن الماضي.
تيتانات زيركونات الرصاص (PZT) الأعلى كفاءةً في تحويل الطاقة الميكانيكية إلى كهربائية. رخيص وسهل التصنيع، لكنه يحتوي على الرصاص مما يُثير مخاوف بيئية في بعض التطبيقات.
بولي فينيليدين فلورايد (PVDF) بوليمر مرن وخفيف الوزن. مثالي للأجهزة القابلة للارتداء والمنسوجات الذكية. يُصنَّع بالغزل الكهربائي والطباعة ثلاثية الأبعاد ويُدمج بسهولة في الأقمشة.
أكسيد الزنك النانوي (ZnO) يُستخدم على شكل أسلاك نانوية في مولّدات النانو. خالٍ من الرصاص وصديق للبيئة، وواعد جداً في التطبيقات الطبية المزروعة داخل الجسم.
الكفاءة
| المعيار | الكفاءة |
|---|---|
| أدنى كفاءة مقاسة تجريبياً (اهتزازات بيئية) | 0.72% |
| الكفاءة النموذجية للأنظمة المُحسَّنة | 10 – 30% |
| كفاءة PZT في تطبيقات القوى المباشرة | تصل إلى 50% |
| كفاءة كوارتز عند الرنين الصوتي (1 MHz) | 95% |
المصدر: Fiveable — Piezoelectric Energy Harvesting, 2025 | MacFarlane, Stanford University, 2018
تقدير عملي: شخص وزنه 70 كجم يخطو 2000 خطوة يُولّد نظرياً نحو 2 واط في الساعة. والأهم أن هذه الطاقة كانت ستُهدر أصلاً في الاحتكاك — مما يجعل كفاءتها الحقيقية من منظور الاستدامة أعلى بكثير مما توحي به الأرقام.
وفق دراسة نشرتها مجلة Advanced Materials عام 2025، فإن تحسين التصميم الهيكلي للمحوّلات يمكن أن يرفع الكفاءة النظرية إلى ما بين 44% و80% حسب المادة والتطبيق.
التطبيقات
أولاً: الأرضيات الذكية
تعتمد هذه الفكرة على تركيب بلاطات خاصة تحت أرضيات الأماكن المزدحمة، تعمل على تحويل كل وطء قدم إلى نبضة كهربائية صغيرة. الخطوة الواحدة لا تُنتج شيئاً يُذكر، لكن مع آلاف المارة يومياً تتراكم هذه النبضات لتتحول إلى طاقة حقيقية تُضيء الممرات وتشحن محطات الشحن المجانية.
طبّقت شركة بافيجن البريطانية هذه التقنية في محطات مترو لندن وملاعب كأس العالم 2022 في قطر، كما انتشرت في مطارات طوكيو وعدد من مراكز التسوق الأوروبية. وتشير التقديرات إلى أن المتر المربع الواحد في مكان مزدحم يكفي نظرياً لإضاءة مصباح LED طوال ساعات النهار.
ثانياً: الأجهزة القابلة للارتداء
يتوقع الباحثون مستقبلاً قريباً تعمل فيه ساعتك الذكية وجهاز قياس ضغطك وحساسات متابعة صحتك على طاقة مستمدة من حركة معصمك وضربات قلبك وتنفسك.
كما أثبتت الأبحاث التي نشرتها مجلة أدفانسد ساينس عام 2025 أن تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد والغزل الكهربائي أتاحت دمج مادة PVDF الكهروضغطية المرنة في أقمشة عادية، فتحةً بذلك الطريق أمام ملابس تُولّد الكهرباء من حركة مرتديها. ويُتوقع أن تدخل هذه التقنية السوق التجاري بحلول نهاية العقد الحالي.
ثالثاً: الأجهزة الطبية المزروعة
نجح باحثون في جامعة كامبريدج عام 2024 في تصنيع مولّد كهروضغطي من ببتيدات حيوية متوافقة مع جسم الإنسان، مستوحاةً من بنية الكولاجين الطبيعي. هذا يفتح الباب أمام جيل جديد من الأجهزة الطبية المزروعة القابلة للتحلل الحيوي، التي تعمل دون بطاريات أو شحن خارجي بأي شكل من الأشكال.
رابعاً: البنية التحتية وإنترنت الأشياء
تنتشر اليوم ملايين المستشعرات اللاسلكية في الجسور والأنفاق والمباني والطرق لمراقبة السلامة الإنشائية وجمع البيانات. المشكلة الكبرى دائماً كانت تأمين الطاقة لهذه المستشعرات في أماكن يصعب الوصول إليها. تحل المستشعرات الكهروضغطية هذه المعضلة بأناقة، تحصد الطاقة من اهتزازات البيئة المحيطة كمرور المركبات أو حركة الرياح، وتُشغّل نفسها دون أي تدخل خارجي. هذا يُلغي تكاليف تمديد الكهرباء وصيانة البطاريات بالكامل، ويجعل شبكات المراقبة الذكية أكثر موثوقية واستدامة.
المزايا والتحديات
الطاقة الكهروضغطية تملك ميزة لا تملكها أي تقنية أخرى فهي تحصد طاقة كانت ستُهدر أصلاً. لا وقود، لا انبعاثات، لا أجزاء متحركة تتآكل، وقابلة للتصغير حتى أبعاد لا تُرى بالعين المجردة. وفي تطبيقات المستشعرات والأجهزة الطبية الصغيرة تؤدي دوراً لا يمكن لأي مصدر طاقة آخر أداؤه بنفس الكفاءة والبساطة.
كما ان هناك تحديا لا يمكن تجاهله، فالطاقة المُنتجة من حركة الإنسان تبقى في نطاق الميلي واط في معظم التطبيقات، وهو ما يكفي لتشغيل المستشعرات الصغيرة لكنه يقصر عن تلبية احتياجات الطاقة الكبيرة. يُضاف إلى ذلك أن تكلفة التركيب مرتفعة قياساً بما تُنتجه، مما يجعل الجدوى الاقتصادية تحدياً حقيقياً في تطبيقات الأرضيات الذكية تحديداً.
المراجع
- He, Q. & Briscoe, J. (2024). Piezoelectric Energy Harvester Technologies: Synthesis, Mechanisms, and Multifunctional Applications. ACS Applied Materials & Interfaces, 16(23), 29491–29520.
- Khan et al. (2025). Next-Generation Piezoelectric Materials in Wearable and Implantable Devices. Advanced Science, Wiley.
- Chee, Banerjee et al. (2025). Deployment of piezoelectric transducers for diverse technical applications. Results in Engineering, Vol. 25.
- Shekari et al. (2025). Piezoelectric Materials for Energy Harvesting in Wearables. Polymer Engineering & Science, Wiley.
- Zhou et al. (2025). Design Strategies for High-Performance Piezoelectric Energy Harvesting Devices. Advanced Materials, Wiley.
- MacFarlane, B. (2018). Piezoelectricity — Power and Efficiency Limits. Stanford University, PH240.
- Winger, S. (2014). Energy Harvesting Flooring — Feasibility Analysis. Stanford University, PH240.
- UBC SEEDS (2013). Investigating the feasibility of implementing Pavegen energy harvesting tiles. University of British Columbia.
- Pavegen Systems. Official Website & FAQ. pavegen.com
