مع التقدم التكنولوجي، في أي المجالات الناشئة يمكن استخدام مغناطيسات الفريت في التطبيقات المحتملة؟

مقدمة

لطالما كانت مغناطيسات الفريت، المعروفة أيضًا باسم مغناطيسات السيراميك، حجر الزاوية في التطبيقات الصناعية والاستهلاكية نظرًا لفعاليتها من حيث التكلفة ومقاومتها للتآكل واستقرارها في درجات الحرارة العالية. تتكون هذه المواد الخزفية المُلبَّدة بشكل أساسي من أكسيد الحديد (Fe₂O₃) مع مركبات السترونشيوم (Sr) أو الباريوم (Ba)، وتتميز بتوازن فريد بين الخصائص المغناطيسية والفيزيائية، مما يجعلها لا غنى عنها في مجالات محددة. في حين أن مغناطيسات العناصر الأرضية النادرة، مثل النيوديميوم (NdFeB)، تهيمن على التطبيقات عالية الأداء التي تتطلب قوة مغناطيسية فائقة، إلا أن مغناطيسات الفريت لا تزال تزدهر في المجالات التي تُعدّ فيها المتانة والأسعار المعقولة والمرونة البيئية أمرًا بالغ الأهمية.

مع التقدم التكنولوجي في مختلف القطاعات، من الطاقة المتجددة وكهربة السيارات إلى التصنيع الذكي والابتكار الطبي، تجد مغناطيسات الفريت أدوارًا جديدة في المجالات الناشئة. تستكشف هذه المقالة تطبيقاتها المحتملة في سبعة مجالات متطورة: أنظمة الطاقة المتجددة، والمركبات الكهربائية والمركبات ذاتية القيادة، والشبكات الذكية ونقل الطاقة لاسلكيًا، والأجهزة الطبية والتكنولوجيا الحيوية، والفضاء والدفاع، والإلكترونيات الاستهلاكية وإنترنت الأشياء، ومعالجة البيئة. من خلال تحليل أحدث التطورات واتجاهات السوق والتحديات التقنية، نكشف كيف تتطور مغناطيسات الفريت لتلبية متطلبات المشهد التكنولوجي سريع التغير.

1. أنظمة الطاقة المتجددة

مولدات توربينات الرياح

أدى التحول العالمي نحو الطاقة المتجددة إلى طلب غير مسبوق على مولدات توربينات الرياح عالية الكفاءة والموثوقية. وبينما تُفضّل مغناطيسات NdFeB في التوربينات البحرية عالية الطاقة نظرًا لكثافة طاقتها العالية، تكتسب مغناطيسات الفريت زخمًا متزايدًا في التوربينات البرية ومتوسطة الحجم حيث يُعدّ استقرار التكلفة ودرجة الحرارة أمرًا بالغ الأهمية. وتُجسّد التطورات الحديثة في تكنولوجيا مغناطيس الفريت التايوانية هذا التوجه: فقد طوّر الباحثون تركيبات خاصة تحافظ على الاستقرار المغناطيسي عند درجات حرارة تصل إلى 300 درجة مئوية، وهو ما يُمثّل تحسنًا بنسبة 40% مقارنةً بالفيريتات التقليدية. يُمكّن هذا الاختراق من استخدامها في مولدات الدفع المباشر العاملة في المناخات الحارة، مما يُقلّل الاعتماد على أنظمة التبريد باهظة الثمن والمواد الأرضية النادرة.

تُعزز استثمارات الصناعة هذا التحول. فقد خصص المصنعون التايوانيون 42.8 مليون دولار أمريكي لتطوير عمليات تصنيع مغناطيسات الفريت عالية الحرارة، مُستهدفين تطبيقاتها في توربينات الرياح وأنظمة تتبع الطاقة الشمسية. وبالمثل، تتوقع تقارير السوق العالمية أن يُمثل قطاع الطاقة المتجددة 12% من الطلب على مغناطيسات الفريت بحلول عام 2030، مدفوعًا بالأسواق الحساسة للتكلفة في آسيا وأفريقيا.

أنظمة تتبع الطاقة الشمسية

تُعد مغناطيسات الفريت جزءًا لا يتجزأ من أنظمة التتبع الشمسي، التي تُحسّن توجيه الألواح الكهروضوئية لزيادة التقاط الطاقة إلى أقصى حد. تتطلب هذه الأنظمة مشغلات خفيفة الوزن ومقاومة للتآكل قادرة على تحمل الظروف الخارجية لعقود. تتفوق المحركات الخطية ومحركات التروس القائمة على الفريت في هذا الدور، حيث تُقدم بديلاً فعالاً من حيث التكلفة للحلول التي تعمل بـ NdFeB. على سبيل المثال، أظهرت دراسة أجراها معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية عام ٢٠٢٤ أن أجهزة التتبع التي تعمل بالفريت خفضت تكلفة الطاقة المُستوية (LCOE) بنسبة ٨٪ مقارنةً بأنواع العناصر الأرضية النادرة، ويعزى ذلك أساسًا إلى انخفاض تكاليف المواد والصيانة.

2. المركبات الكهربائية والمركبات ذاتية القيادة

محركات المركبات الكهربائية

يشهد قطاع السيارات تحولاً جذرياً نحو الكهربة، حيث من المتوقع أن تصل مبيعات السيارات الكهربائية العالمية إلى 40 مليون وحدة سنوياً بحلول عام 2030. وبينما تعتمد السيارات الكهربائية عالية الأداء على مغناطيسات NdFeB لمحركات الجر، فإن مغناطيسات الفريت تكتسب مكانة مرموقة في الأنظمة المساعدة والطرازات منخفضة التكلفة. على سبيل المثال، استخدم الجيل الثاني من نظام نقل الحركة Voltec من جنرال موتورز مغناطيسات الفريت في محركها المساعد بقوة 55 كيلوواط لتقليل الاعتماد على المعادن النادرة بنسبة 70%. ورغم أن هذا تطلب حجم مغناطيس أكبر بنسبة 30% لتعويض انخفاض كثافة التدفق، إلا أن هذا التنازل كان مبرراً بانخفاض تكلفة السيارة بنسبة 15%.

تهدف الأبحاث الناشئة إلى تضييق فجوة الأداء هذه. وقد أسفر تعاونٌ أُجري عام ٢٠٢٥ مع جامعة طوكيو عن تصميم دوار هجين من الفريت-SMC (مركب مغناطيسي ناعم)، مما حسّن كفاءة المحرك بنسبة ٥٪ مع الحفاظ على استقرار درجة الحرارة حتى ١٨٠ درجة مئوية. وقد تُمكّن هذه الابتكارات مغناطيسات الفريت من اختراق سوق السيارات الكهربائية متوسطة الحجم، حيث تُعدّ القدرة التنافسية من حيث التكلفة بنفس أهمية المدى والتسارع.

أجهزة استشعار المركبات ذاتية القيادة

تعتمد المركبات ذاتية القيادة على مجموعة من أجهزة الاستشعار، بما في ذلك الليدار والرادار وأنظمة الموجات فوق الصوتية، للتنقل بأمان. تلعب مغناطيسات الفريت دورًا هادئًا ولكنه حيوي في هذه التقنيات:

• أجهزة استشعار الموجات فوق الصوتية : تُستخدم حلقات الفريت في وحدات المحولات لتوليد واكتشاف موجات صوتية عالية التردد لمساعدة السائقين على ركن السيارة وكشف العوائق. تُحسّن خصائص مطابقة المعاوقة الصوتية وضوح الإشارة في البيئات الصاخبة.
• أنظمة الرادار : يتم استخدام مواد الفريت الناعمة ذات النفاذية المغناطيسية العالية في امتصاص الموجات الدقيقة ومحولات الطور، مما يقلل من التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) في وحدات الرادار للسيارات بتردد 77 جيجاهرتز.

من المتوقع أن ينمو سوق مستشعرات المركبات ذاتية القيادة بمعدل نمو سنوي مركب قدره 22% حتى عام 2030، مما يتيح فرصةً بقيمة 12 مليار دولار لموردي مغناطيسات الفريت. وتعمل شركاتٌ رئيسية، مثل TDK وHitachi Metals، بالفعل على توسيع نطاق إنتاج مكونات الفريت المصغّرة لأنظمة LiDAR ذات الحالة الصلبة من الجيل التالي.

3. الشبكات الذكية ونقل الطاقة لاسلكيًا

مكونات الشبكة الذكية

من المتوقع أن يصل حجم سوق الشبكات الذكية العالمية إلى 600 مليار دولار بحلول عام 2030، مدفوعًا بالاستثمارات في تكامل مصادر الطاقة المتجددة، والاستجابة للطلب، ومرونة الشبكة. تُمكّن مغناطيسات الفريت هذا التحول من خلال تطبيقات في:

• محولات التيار (CTs) : تعمل نوى الفريت الناعمة ذات فقدان القلب المنخفض وكثافة تدفق التشبع العالية على تحسين دقة محولات التيار المستخدمة لمراقبة الطاقة في الوقت الفعلي في العدادات الذكية ومحطات التوزيع الفرعية.
• الموصلات الحثية : تعمل أنظمة نقل البيانات اللاسلكية القائمة على الفريت على تسهيل الاتصال بين مكونات الشبكة دون الحاجة إلى موصلات مادية، مما يقلل من تكاليف الصيانة ويعزز الأمن السيبراني.

أظهر مشروع تجريبي في ألمانيا في عام 2025 أن محولات الطاقة ذات النواة الفريتية تقلل أخطاء القياس بنسبة 40% مقارنة بالنوى الفولاذية الرقائقية التقليدية، مما يتيح التنبؤ بالحمل بشكل أكثر دقة وتسعير ديناميكي.

أنظمة الشحن اللاسلكي

يشهد سوق نقل الطاقة لاسلكيًا (WPT) نموًا سريعًا، مع تطبيقات تتراوح من منصات شحن الهواتف الذكية إلى مسارات الشحن الديناميكي للسيارات الكهربائية. تُعد مغناطيسات الفريت أساسية لكفاءة نقل الطاقة لاسلكيًا نظرًا لنفاذيتها المغناطيسية العالية وموصليتها الكهربائية المنخفضة، مما يقلل من خسائر التيار الدوامي. تشمل التطورات الرئيسية ما يلي:

• الاقتران الحثي الرنيني : تُركّز صفائح الفريت في ملفات الإرسال والاستقبال التدفق المغناطيسي، مما يُتيح نقلًا فعالًا للطاقة لمسافات تصل إلى 30 سم. أصبحت هذه التقنية الآن معيارًا في أنظمة WPT متوسطة المدى للطائرات بدون طيار والروبوتات.
• المركبات المغناطيسية العازلة : قام الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بتطوير مركبات الفريت البوليمرية التي تجمع بين الخصائص المغناطيسية والعازلة، مما أدى إلى زيادة بنسبة 25٪ في كفاءة WPT للسيارات الكهربائية عند ترددات تشغيل 7.7 كيلو هرتز.

من المتوقع أن ينمو سوق WPT العالمي بمعدل نمو سنوي مركب يبلغ 19٪ حتى عام 2030، مع حصول مغناطيسات الفريت على 35٪ من إيرادات المكونات بسبب مزايا التكلفة والأداء في تطبيقات الطاقة المتوسطة.

4. الأجهزة الطبية والتكنولوجيا الحيوية

التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)

تعتمد أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي على مغناطيسات فائقة التوصيل لتوليد المجالات الثابتة القوية المطلوبة للتصوير، ولكن مغناطيسات الفريت تلعب دورًا داعمًا في:

• ملفات التدرج : تعمل نوى الفريت الناعمة في مكبرات التدرج على تقليل استهلاك الطاقة بنسبة 15% مع الحفاظ على الخطية في قوة المجال، مما يتيح الحصول على الصور بشكل أسرع.
• أنظمة تحديد مواقع المرضى : توفر المحركات الخطية القائمة على الفريت حركة دقيقة وخالية من الضوضاء لطاولات المرضى، مما يحسن الراحة أثناء عمليات المسح الطويلة.

توصلت دراسة أجرتها شركة Siemens Healthineers في عام 2024 إلى أن دمج نوى الفريت في أنظمة التصوير بالرنين المغناطيسي 3T يقلل من استهلاك الهيليوم بنسبة 20% - وهي ميزة بالغة الأهمية نظرًا لندرة الهيليوم السائل وتكلفته.

أنظمة توصيل الأدوية

تُمكّن مغناطيسات الفريت من تحقيق اختراقات في توصيل الأدوية المُستهدفة، حيث تُوجّه الجسيمات النانوية المغناطيسية العلاجات إلى أنسجة مُحددة. ومن أهم الابتكارات:

• فرط الحرارة المغناطيسي : تُطلق جسيمات الفريت النانوية (مثل فيريتات المنغنيز والزنك) المُسخّنة بواسطة مجالات مغناطيسية متناوبة (AMFs) الأدوية موضعيًا مع تدمير الخلايا السرطانية. وقد أظهرت التجارب السريرية لعلاج الورم الأرومي الدبقي زيادةً في معدلات نجاة المرضى بنسبة 30% باستخدام هذا النهج.
• حاملات قابلة للتحلل الحيوي : قام باحثون في المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ بتطوير جسيمات نانوية بوليمرية مغلفة بالفيريت تتحلل بشكل آمن في الجسم بعد توصيل الأنسولين أو عوامل العلاج الكيميائي، مما يقلل من مخاطر السمية على المدى الطويل.

من المتوقع أن يصل حجم سوق توصيل الأدوية المغناطيسية العالمية إلى 2.8 مليار دولار بحلول عام 2028، حيث تمثل الأنظمة القائمة على الفريت 60% من الإيرادات بسبب توافقها الحيوي وخصائصها المغناطيسية القابلة للضبط.

5. الفضاء والدفاع

الدفع الكهربائي للطائرات

تستكشف صناعة الطيران والفضاء الدفع الكهربائي لمركبات النقل الجوي الحضري (UAM) والطائرات النفاثة الإقليمية، مما يزيد الطلب على المغناطيسات خفيفة الوزن وعالية الحرارة. وتبرز مغناطيسات الفريت كخيار عملي لما يلي:

• وحدات الطاقة المساعدة (APUs) : تعمل المولدات المبتدئة القائمة على الفريت في وحدات الطاقة المساعدة على تقليل الوزن بنسبة 25% مقارنة ببدائل NdFeB، مما يحسن كفاءة استهلاك الوقود للطائرات الكهربائية الهجينة.
• أنظمة التشغيل : تتحمل المغناطيسات الفريتية الملتصقة في محركات التحكم في الطيران الاهتزازات التي تصل إلى 20000 هرتز دون إزالة المغناطيسية، وتلبي معايير شهادة إدارة الطيران الفيدرالية الصارمة.

أثمرت شراكة عام 2025 بين إيرباص وشركة سوميتومو سبيشال ميتالز عن إنتاج نوع من المغناطيس الفريتي مع منتج طاقة أعلى بنسبة 20%، مما يتيح استخدامه في محركات الجر بقدرة 1 ميجاوات في النموذج الأولي لطائرة CityAirbus NextGen eVTOL من إيرباص.

مكونات الأقمار الصناعية

تعتبر مغناطيسات الفريت ضرورية لأنظمة الأقمار الصناعية بسبب مقاومتها للإشعاع وعدم انبعاث الغازات منها في البيئات الفراغية:

• مضخمات أنبوب الموجة المتنقلة (TWTAs) : تعمل العوازل والدوائر المصنوعة من الفريت على حماية مضخمات أنبوب الموجة المتنقلة من انعكاسات الإشارة، مما يضمن اتصالاً موثوقًا به في المدارات الثابتة جغرافيًا.
• عزم الدوران المغناطيسي : تولد المغناطيسات الكهربائية ذات النواة الفريتية في أنظمة التحكم في الاتجاه عزم دوران دقيقًا بدون أجزاء متحركة، مما يقلل من احتياجات الصيانة لأقمار CubeSats والأقمار الصناعية الصغيرة.

من المتوقع أن ينمو سوق المغناطيسات الفضائية العالمية بمعدل نمو سنوي مركب يبلغ 9% حتى عام 2030، مع حصول المغناطيسات الفريتية على 45% من الإيرادات بسبب مزايا التكلفة والموثوقية في الأبراج ذات المدار الأرضي المنخفض (LEO).

6. الإلكترونيات الاستهلاكية وإنترنت الأشياء

الأجهزة القابلة للارتداء

يشهد سوق الأجهزة القابلة للارتداء ازدهارًا كبيرًا، حيث من المتوقع أن تصل شحناته إلى 1.5 مليار وحدة سنويًا بحلول عام 2028. وتساهم مغناطيسات الفريت في تمكين هذا النمو من خلال:

• أنظمة التغذية الراجعة اللمسية : توفر المحركات الرنانة الخطية القائمة على الفريت في الساعات الذكية ونظارات الواقع المعزز اهتزازات واضحة موفرة للطاقة للإشعارات وتفاعلات واجهة المستخدم.
• سماعات أذن لاسلكية : تعمل مغناطيسات الفريت المصغرة الموجودة في حافظات الشحن وسماعات الأذن على تحسين المحاذاة المغناطيسية لشحن لاسلكي أسرع وأكثر موثوقية.

كشف تفكيك سماعات AirPods Pro من Apple في عام 2025 أن مغناطيسات الفريت قللت من وقت الشحن بنسبة 30% مقارنة بالطرازات السابقة التي تستخدم مغناطيسات NdFeB، بسبب خسائر التيار الدوامي المنخفضة عند الترددات العالية.

أتمتة المنزل الذكي

تعمل مغناطيسات الفريت على تحويل أجهزة المنزل الذكية من خلال تمكين التشغيل المدمج منخفض الطاقة:

• الأقفال الذكية : تستهلك الملفات اللولبية التي تعمل بالفيريت في أقفال الأبواب طاقة أقل بنسبة 50% من التصميمات الكهرومغناطيسية التقليدية، مما يطيل عمر البطارية إلى عامين.
• ستائر آلية : تعمل المغناطيسات الفريتية الملتصقة في محركات الستائر على تقليل الضوضاء بمقدار 15 ديسيبل مع الحفاظ على عزم دوران كافٍ لرفع الستائر الثقيلة.

من المتوقع أن ينمو سوق المنازل الذكية العالمي بمعدل نمو سنوي مركب يبلغ 12% حتى عام 2030، مع استحواذ المغناطيسات الفريتية على 25% من إيرادات المحرك بسبب فوائدها من حيث التكلفة والكفاءة في المنتجات الاستهلاكية ذات الحجم الكبير.

7. معالجة البيئة

أنظمة معالجة المياه

تلعب مغناطيسات الفريت دورًا متزايد الأهمية في تنقية المياه من خلال:

• الفصل المغناطيسي : تعمل أجهزة الفصل القائمة على الفريت على إزالة المعادن الثقيلة (مثل الرصاص والزرنيخ) والبلاستيك الدقيق من مياه الصرف الصحي بكفاءة تصل إلى 95%، متفوقة على الطرق الكيميائية التقليدية.
• عمليات الأكسدة المتقدمة (AOPs) : تعمل محفزات الفريت (على سبيل المثال، CoFe₂O₄) في تفاعلات تشبه تفاعلات فينتون على توليد جذور هيدروكسيل لتحلل الملوثات العضوية، مما يتيح معالجة فعالة من حيث التكلفة لمياه الصرف الصناعي.

وأظهر مشروع تجريبي في الهند في عام 2024 أن أجهزة الفصل القائمة على الفريت قللت تكاليف المعالجة بنسبة 40% مقارنة بمرشحات الكربون المنشط، مما يجعلها قابلة للتطبيق في محطات معالجة المياه الريفية.

تنقية الهواء

كما تعمل مغناطيسات الفريت أيضًا على تعزيز تقنيات تنقية الهواء:

• المرسبات الكهروستاتيكية (ESPs) : تولد أقطاب الفريت في المرسبات الكهروستاتيكية مجالات كهربائية أقوى من البدائل المصنوعة من الألومنيوم، مما يحسن كفاءة التقاط الجسيمات بنسبة 20% في المداخن الصناعية.
• المرشحات الضوئية : تعمل طلاءات TiO₂ المخصبة بالفيريت في مرشحات الهواء على تسريع تحلل المركبات العضوية المتطايرة (VOCs) تحت ضوء الأشعة فوق البنفسجية، مما يقلل من تلوث الهواء الداخلي في المكاتب والمنازل.

من المتوقع أن يصل حجم سوق تنقية الهواء العالمي إلى 70 مليار دولار بحلول عام 2030، مع حصول الأنظمة القائمة على الفريت على 15% من الإيرادات بسبب متانتها ومتطلبات صيانتها المنخفضة.

التحديات والتوجهات المستقبلية

على الرغم من وعودها، تواجه مغناطيسات الفريت العديد من التحديات في التطبيقات الناشئة:

1. قيود القوة المغناطيسية : يُقيّد انخفاض مغنطة الفريت المتبقية (Br) مقارنةً بمغناطيسات NdFeB استخدامها في تطبيقات كثافة الطاقة العالية. يُعالج الباحثون هذه المشكلة من خلال البنية النانوية والتطعيم بعناصر أرضية نادرة مثل اللانثانوم (La) والكوبالت (Co)، مما أدى إلى تحسين مغنطة البروم بنسبة 15% في البيئات المختبرية.
2. الإدارة الحرارية : على الرغم من تفوق مغناطيسات الفريت على مغناطيسات NdFeB في درجات الحرارة العالية، إلا أن أدائها يتراجع عند درجات حرارة أعلى من 300 درجة مئوية. ويجري حاليًا استكشاف تقنيات تبريد متقدمة، مثل مشعات الحرارة المعدنية السائلة، لتوسيع نطاق تشغيلها.
3. التصغير : يتطلب قطاعا الطيران والفضاء وإنترنت الأشياء مغناطيسات أصغر من 1 مم³، وهو مقياس تُشكل فيه هشاشة الفريت تحديات تصنيعية. تُقدم تقنيات التصنيع الإضافي، مثل الطباعة ثلاثية الأبعاد لمواد الفريت والبوليمر المُركبة، حلاً مُحتملاً، إلا أن الجدوى التجارية لا تزال بعيدة المنال.

بالنظر إلى المستقبل، هناك ثلاثة اتجاهات ستشكل مستقبل مغناطيسات الفريت:

• التهجين : الجمع بين مغناطيسات الفريت مع المواد المغناطيسية الناعمة (على سبيل المثال، SMCs) أو العناصر الأرضية النادرة لتحقيق التوازن بين التكلفة والأداء.
• الاستدامة : تطوير مواد أولية من الفريت المشتقة بيولوجيًا وعمليات إعادة التدوير لتقليل الاعتماد على التعدين المعدني.
• المغناطيسات الذكية : دمج أجهزة الاستشعار والمحركات في هياكل الفريت لتمكين المراقبة الذاتية والحقول المغناطيسية التكيفية في الروبوتات والرعاية الصحية.

خاتمة

تشهد مغناطيسات الفريت، التي كانت تُعتبر في السابق مادةً "قديمة"، نهضةً بفضل الابتكار التكنولوجي ومتطلبات الاستدامة. فمن أنظمة الطاقة المتجددة والمركبات الكهربائية إلى الأجهزة الطبية والمعالجة البيئية، فإن مزيجها الفريد من حيث التكلفة والمتانة والمرونة البيئية يجعلها لا غنى عنها في المجالات الناشئة. ورغم استمرار التحديات، فإن الأبحاث الجارية في علوم المواد والتصنيع وتكامل الأنظمة تفتح آفاقًا جديدة، مما يضمن استمرار مغناطيسات الفريت في دعم ابتكارات المستقبل. ومع إعطاء الصناعات الأولوية للحلول الفعالة من حيث التكلفة والقابلة للتطوير لمستقبل خالٍ من الكربون، تُثبت هذه المغناطيسات الخزفية البسيطة أن أقدم التقنيات تحمل أحيانًا مفاتيح آفاق جديدة.