هوش مصنوعی فقط به تراشه‌های قدرتمند و مدل‌های پیشرفته نیاز ندارد؛ پشت هر جست‌وجو، تصویر تولیدشده یا اجرای یک مدل هوش مصنوعی، دیتاسنترهایی قرار دارند که برای پردازش اطلاعات و خنک‌کردن تجهیزات به برق زیادی نیاز دارند. با افزایش سریع تعداد و ظرفیت این مراکز، فشار بیشتری به شبکه‌های برق وارد می‌شود. به همین دلیل، پژوهشگران به دنبال راه‌هایی هستند تا بخشی از برق مورد نیاز دیتاسنترها در محل تولید شود.
یکی از گزینه‌های مورد توجه، سلول سوختی هیدروژنی است؛ فناوری‌ای که می‌تواند با استفاده از هیدروژن و اکسیژن، برق تولید کند و در این فرایند آب و گرما نیز به وجود آورد. بااین‌حال، هزینه و دوام کاتالیست‌های مورد استفاده در این سلول‌ها همچنان یکی از چالش‌های اصلی توسعه این فناوری است.
در پژوهشی که ۶ اوت ۲۰۲۶ در مجله Nature Nanotechnology منتشر شد، گروهی به سرپرستی گنگ وو از دانشگاه واشنگتن در سنت‌لوئیس، ساختاری نانویی از کربن برای تثبیت نانوذرات پلاتین-کبالت در کاتالیست سلول سوختی هیدروژنی توسعه دادند. این ساختار کمک می‌کند کاتالیست در دماهای بالا پایداری خود را حفظ کند و در عین حال، نانوذرات پلاتین-کبالت بسیار کوچک و به‌صورت یکنواخت پراکنده باقی بمانند. در اینجا علوم پایه، به‌ویژه شیمی و علم مواد، نقش مهمی در شناخت رفتار این مواد در مقیاس نانو و طراحی ساختار کاتالیست دارند.
این دستاورد می‌تواند به توسعه سلول‌های سوختی هیدروژنی بادوام‌تر و کارآمدتر کمک کند؛ فناوری‌ای که در آینده می‌تواند برای تأمین برق دیتاسنترها، حمل‌ونقل و دیگر کاربردهای پرمصرف انرژی مورد استفاده قرار گیرد.
چرا دیتاسنترها به برق بیشتری نیاز دارند؟
رشد هوش مصنوعی باعث شده ساخت دیتاسنترهای جدید با سرعت زیادی افزایش پیدا کند. این مراکز فقط برای اجرای سرورها برق مصرف نمی‌کنند؛ بخش قابل‌توجهی از انرژی نیز برای خنک‌کردن تجهیزات و حفظ شرایط مناسب فعالیت آن‌ها مورد نیاز است.
بر اساس گزارش «Powering Intelligence 2026» مؤسسه تحقیقات برق آمریکا (EPRI) که در فوریه ۲۰۲۶ منتشر شد، دیتاسنترها در حال حاضر حدود ۴ تا ۵ درصد از برق ایالات متحده را مصرف می‌کنند. این مؤسسه در سه سناریوی مختلف پیش‌بینی کرده است که این سهم تا سال ۲۰۳۰ می‌تواند به ۹ تا ۱۷ درصد برسد. این بازه به میزان تحقق پروژه‌های در حال ساخت و برنامه‌ریزی‌شده دیتاسنترها بستگی دارد.
این رشد، تأمین برق را به یکی از چالش‌های مهم توسعه زیرساخت‌های هوش مصنوعی تبدیل کرده است. در چنین شرایطی، تولید بخشی از برق مورد نیاز در محل مصرف می‌تواند به کاهش فشار بر شبکه برق کمک کند.
اینجاست که سلول‌های سوختی هیدروژنی مورد توجه قرار می‌گیرند؛ فناوری‌ای که می‌تواند امکان تولید برق در نزدیکی محل مصرف را فراهم کند.
«جشنواره اندیشمندان و دانشمندان جوان» نیز با تمرکز بر ایده‌هایی که به حل مسائل واقعی کمک می‌کنند، از مسیرهایی حمایت می‌کند که علم و فناوری را به نیازهای آینده پیوند می‌دهند.
سلول سوختی هیدروژنی چگونه برق تولید می‌کند؟
سلول سوختی را می‌توان سامانه‌ای برای تبدیل انرژی دانست که بدون احتراق مستقیم، انرژی شیمیایی سوخت را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند.
در سلول سوختی هیدروژنی، هیدروژن و اکسیژن در دو بخش مختلف سلول وارد فرایندهای الکتروشیمیایی می‌شوند. این واکنش‌ها باعث ایجاد جریان الکتریکی می‌شوند و در نهایت، آب و گرما نیز به‌عنوان محصولات این فرایند تولید می‌شوند.
در این میان، کاتالیست نقش مهمی دارد. کاتالیست سرعت واکنش‌های شیمیایی را افزایش می‌دهد، بدون اینکه خودش به‌عنوان ماده اصلی واکنش مصرف شود.
برای برخی از سلول‌های سوختی، پلاتین یکی از مؤثرترین مواد برای این نقش است؛ اما قیمت بالا و رفتار ناپایدار نانوذرات پلاتین، استفاده گسترده از آن را دشوار می‌کند.
چرا پلاتین در سلول سوختی هیدروژنی چالش‌برانگیز است؟
پلاتین عملکرد کاتالیستی بسیار خوبی دارد، اما یک فلز گران‌بهاست. یکی از راه‌های کاهش مقدار پلاتین، استفاده از نانوذرات بسیار کوچک است.
وقتی اندازه ذرات کاهش پیدا می‌کند، سطح بیشتری از پلاتین در معرض واکنش قرار می‌گیرد. در نتیجه، می‌توان با مقدار کمتری از این فلز، سطح فعال بیشتری برای انجام واکنش‌های شیمیایی در اختیار داشت.
اما این راه‌حل، چالش دیگری ایجاد می‌کند.
نانوذرات پلاتین در طول کارکرد سلول سوختی ممکن است حل شوند، جابه‌جا شوند یا به یکدیگر متصل شده و ذرات بزرگ‌تری تشکیل دهند. در این حالت، سطح فعال کاتالیست کاهش پیدا می‌کند و عملکرد آن به‌مرور افت می‌کند.
بنابراین، پژوهشگران با یک مسئله دوگانه روبه‌رو هستند:
ذرات کوچک‌تر = فعالیت بیشتر
اما
ذرات بزرگ‌تر و پایدارتر = دوام بیشتر
حل هم‌زمان این دو مسئله، یکی از چالش‌های مهم در طراحی کاتالیست‌های سلول سوختی هیدروژنی است.
کاتالیست پلاتین-کبالت در سلول سوختی هیدروژنی چه تفاوتی ایجاد می‌کند؟
یکی از مسیرهای پژوهشی برای حل این مشکل، استفاده از کاتالیست‌های بین‌فلزی پلاتین-کبالت است.
در این مواد، اتم‌های پلاتین و کبالت در ساختاری منظم‌تر کنار یکدیگر قرار می‌گیرند. این نظم اتمی می‌تواند به بهبود فعالیت و پایداری کاتالیست کمک کند. شناخت و کنترل چنین ساختارهایی به دانش شیمی، فیزیک و علم مواد وابسته است؛ حوزه‌هایی از علوم پایه که رفتار مواد را از سطح اتمی تا مقیاس نانو بررسی می‌کنند.
اما ساخت چنین ساختاری هم ساده نیست.
برای ایجاد نظم بیشتر در آرایش اتم‌ها، به دمای بالاتر نیاز است. از طرف دیگر، حرارت زیاد می‌تواند باعث تجمع نانوذرات و افزایش اندازه آن‌ها شود؛ اتفاقی که سطح فعال کاتالیست را کاهش می‌دهد.
پژوهش جدید دقیقاً روی همین تضاد تمرکز کرده است: چگونه می‌توان ساختار منظم پلاتین-کبالت را ایجاد کرد، بدون اینکه نانوذرات در اثر حرارت به یکدیگر بچسبند و بزرگ‌تر شوند؟
ساختار نانویی جدید چگونه مشکل کاتالیست را حل می‌کند؟
محققان ساختاری کربنی از کره‌های توخالی و متخلخل با کانال‌های نانویی شعاعی طراحی کردند. این کانال‌ها مانند یک چارچوب محافظ، نانوذرات پلاتین-کبالت را در جای خود نگه می‌دارند و از تجمع آن‌ها جلوگیری می‌کنند.
به این ترتیب، کاتالیست می‌تواند در دمای بیش از ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد حرارت ببیند تا ساختار منظم بین‌فلزی در آن شکل بگیرد، بدون اینکه نانوذرات بیش از حد رشد کنند. طبق نتایج پژوهش، اندازه این ذرات پس از فرایند همچنان کمتر از ۵ نانومتر باقی ماند و بیش از ۸۰ درصد فاز بین‌فلزی موردنظر تشکیل شد.
در واقع، طراحی جدید تلاش می‌کند چند چالش کاتالیست را هم‌زمان حل کند:
| چالش کاتالیست | راه‌حل در ساختار جدید |
| تجمع نانوذرات در دمای بالا | محصورکردن ذرات در کانال‌های نانویی |
| افزایش اندازه نانوذرات | حفظ اندازه ذرات در محدوده کمتر از ۵ نانومتر |
| کاهش سطح فعال کاتالیست | جلوگیری از چسبیدن و تجمع نانوذرات |
| دشواری ایجاد ساختار منظم بین‌فلزی | امکان حرارت‌دهی در دمای بالاتر از ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد |
| افت عملکرد در طول زمان | افزایش پایداری حرارتی و الکتروشیمیایی کاتالیست |
کاتالیست سلول سوختی هیدروژنی چقدر پایدار است؟
یکی از مهم‌ترین نتایج پژوهش، عملکرد کاتالیست در آزمایش‌های دوام بود.
کاتالیست جدید پس از ۱۵۰ هزار چرخه ولتاژ در یک آزمون شتاب‌یافته، حدود ۸۲.۵ درصد از عملکرد خود را حفظ کرد. پژوهشگران این نتیجه را معادل حدود ۲۵ هزار ساعت کارکرد در شرایط موردنظر ارزیابی کرده‌اند.
همچنین در آزمایش‌های عملکرد سلول، مجموعه الکترودی ساخته‌شده با این کاتالیست به چگالی جریان ۲.۱۲ آمپر بر سانتی‌متر مربع در ولتاژ ۰.۷۰ ولت تحت شرایط آزمایش مرتبط با خودروهای سنگین رسید.
این نتایج نشان می‌دهند که طراحی جدید فقط به کوچک‌کردن نانوذرات محدود نیست؛ بلکه تلاش می‌کند فعالیت بالا، ساختار منظم و دوام طولانی را هم‌زمان در یک کاتالیست ایجاد کند.
چنین پژوهش‌هایی نشان می‌دهند که چگونه یافته‌های علمی می‌توانند از آزمایشگاه فراتر بروند و به فناوری‌هایی برای پاسخ به نیازهای آینده تبدیل شوند؛ همان مسیری که «جشنواره اندیشمندان و دانشمندان جوان» با فراهم‌کردن فرصت برای رشد و توسعه ایده‌های علمی دنبال می‌کند.
چرا کانال‌های کربنی در سلول سوختی هیدروژنی اهمیت دارند؟
ساختار کربنی این پژوهش فقط یک نگهدارنده ساده برای نانوذرات نیست. کانال‌های باز موجود در آن به حرکت بهتر مواد در ساختار الکترود کمک می‌کنند. طبق توضیح پژوهشگران، این معماری می‌تواند پراکندگی یکنواخت‌تر یونومر را امکان‌پذیر کند و مسیر حرکت پروتون‌ها، اکسیژن و آب را بهبود دهد.
این موضوع اهمیت زیادی دارد؛ زیرا عملکرد یک سلول سوختی هیدروژنی فقط به کاتالیست وابسته نیست. انتقال مؤثر مواد و بار در الکترود نیز نقش مهمی در عملکرد کلی سلول دارد.
در واقع، پژوهشگران با یک طراحی نانویی تلاش کرده‌اند چند محدودیت را هم‌زمان برطرف کنند؛ از پایداری نانوذرات گرفته تا انتقال بهتر مواد در الکترود.
آیا سلول سوختی هیدروژنی می‌تواند برق دیتاسنترها را تأمین کند؟
پاسخ کوتاه این است: هنوز نه به‌صورت گسترده.
نتایج این پژوهش نشان می‌دهند که کاتالیست جدید می‌تواند عملکرد و دوام سلول سوختی هیدروژنی را بهبود دهد؛ اما تبدیل این دستاورد آزمایشگاهی به یک سامانه تجاری برای تأمین برق دیتاسنترها، به بررسی‌های بیشتری نیاز دارد. هزینه تولید، دسترسی به هیدروژن، زیرساخت ذخیره و انتقال سوخت، مقیاس‌پذیری، مدیریت گرما و آب و عملکرد طولانی‌مدت در شرایط واقعی، از جمله چالش‌های پیش‌رو هستند.
بنابراین، بهتر است این پژوهش را یک گام فناورانه مهم بدانیم، نه راه‌حل نهایی برای تأمین برق دیتاسنترها.
بااین‌حال، اهمیت آن در این است که یکی از چالش‌های اصلی سلول‌های سوختی هیدروژنی، یعنی ایجاد هم‌زمان فعالیت بالا و دوام کاتالیست را هدف قرار داده است.
کاربردهای سلول سوختی هیدروژنی؛ از دیتاسنتر تا خودرو
کاربرد احتمالی این فناوری به دیتاسنترها محدود نمی‌شود.
سلول‌های سوختی هیدروژنی می‌توانند در حمل‌ونقل، تولید برق ثابت و برخی سامانه‌های انرژی مورد استفاده قرار گیرند. پژوهشگران نیز این کاتالیست را برای کاربردهایی فراتر از دیتاسنترها، از جمله حمل‌ونقل، مورد توجه قرار داده‌اند.
برای دیتاسنترها، جذابیت اصلی این فناوری در امکان تولید برق نزدیک به محل مصرف است. در چنین مدلی، یک مرکز پردازشی می‌تواند بخشی از انرژی مورد نیاز خود را از یک سامانه سلول سوختی دریافت کند و وابستگی خود به شبکه برق را کاهش دهد.
اما موفقیت چنین مدلی فقط به خود فناوری سلول سوختی بستگی ندارد. اینکه هیدروژن چگونه تولید شود و کل زنجیره تأمین انرژی چه میزان هزینه و انتشار ایجاد کند، نقش مهمی در امکان‌پذیری آن خواهد داشت.
آینده سلول سوختی هیدروژنی؛ آیا می‌تواند بخشی از نیاز انرژی را تأمین کند؟
رشد هوش مصنوعی و افزایش ظرفیت دیتاسنترها، نیاز به منابع برق قابل‌اعتماد را بیشتر می‌کند. سلول‌های سوختی هیدروژنی می‌توانند یکی از گزینه‌ها برای تولید برق نزدیک به محل مصرف باشند و بخشی از وابستگی دیتاسنترها به شبکه را کاهش دهند.
بااین‌حال، هزینه تولید، دسترسی به هیدروژن، زیرساخت ذخیره‌سازی و انتقال، مقیاس‌پذیری و عملکرد طولانی‌مدت همچنان از چالش‌های مهم این فناوری هستند. بنابراین، هنوز نمی‌توان سلول‌های سوختی هیدروژنی را راه‌حل نهایی تأمین برق دیتاسنترها دانست.
پژوهش‌های جدید، از جمله طراحی کاتالیست پلاتین-کبالت در این مطالعه، نشان می‌دهند که پیشرفت در علم مواد و فناوری نانو می‌تواند بخشی از موانع فنی این مسیر را برطرف کند.
جمع‌بندی؛ آیا سلول سوختی هیدروژنی می‌تواند برق دیتاسنترها را تأمین کند؟
افزایش مصرف برق دیتاسنترها، به‌ویژه با گسترش هوش مصنوعی، فشار بیشتری بر زیرساخت انرژی وارد می‌کند. سلول‌های سوختی هیدروژنی یکی از گزینه‌هایی هستند که می‌توانند امکان تولید برق نزدیک به محل مصرف را فراهم کنند؛ اما هنوز چالش‌هایی مانند هزینه، تأمین هیدروژن و مقیاس‌پذیری پیش روی آن‌هاست.
پژوهش منتشرشده در Nature Nanotechnology نشان می‌دهد که می‌توان با طراحی یک ساختار کربنی در مقیاس نانو، نانوذرات پلاتین-کبالت را پایدارتر کرد و عملکرد کاتالیست را در شرایط سخت بهبود داد.
این پژوهش هنوز به معنی آماده‌بودن سلول‌های سوختی هیدروژنی برای تأمین گسترده برق دیتاسنترها نیست؛ اما یک نکته مهم را نشان می‌دهد:
گاهی حل یک چالش بزرگ در دنیای فناوری، از تغییر چیزی در کوچک‌ترین مقیاس‌ها آغاز می‌شود.
در اینجا، علوم پایه از شناخت اتم‌ها و رفتار مواد در مقیاس نانو، به ایجاد زمینه برای توسعه فناوری‌های جدید می‌رسد. «جشنواره اندیشمندان و دانشمندان جوان» نیز با توجه به همین ظرفیت، بستری برای تبدیل دانش علمی به ایده‌ها و دستاوردهای تازه فراهم می‌کند.
منبع: Science Daily
