الكهرباء التي تمد انارة هذا المسرح بالطاقة تم توليدها منذ لحظات. بسبب ما تبدو عليه الأمور اليوم، الطلب على الكهرباء لابد أن يكون في توازن مستمر مع عرض الكهرباء. إن كان في الوقت الذي استغرقه للمشي هنا على هذا المسرح، تتوقف بعض عشرات الميجاوات من طاقة الرياح عن التدفق في الشبكة، فإن الفارق لابد أن يُعوض مباشرةً من موّلد آخر. لكن معامل الفحم و معامل الطاقة النووية لا تستطيع أن تستجيب بسرعة كافية. لكن يمكن لبطارية عملاقة أن تفعل ذلك. باستخدام بطارية عملاقة، سنكون قادرين على التصدي لمشكلة التقطع التي تمنع الرياح والطاقة الشمسية من دعم الشبكة بنفس الطريقة التي يدعمها بها الغاز والفحم في الوقت الحاضر.
The electricity powering the lights in this theater was generated just moments ago. Because the way things stand today, electricity demand must be in constant balance with electricity supply. If in the time that it took me to walk out here on this stage, some tens of megawatts of wind power stopped pouring into the grid, the difference would have to be made up from other generators immediately. But coal plants, nuclear plants can't respond fast enough. A giant battery could. With a giant battery, we'd be able to address the problem of intermittency that prevents wind and solar from contributing to the grid in the same way that coal, gas and nuclear do today.
كما ترون, البطارية هي المفتاح الذي يعمل على تشغيل الجهاز. نستطيع من خلالها استمداد الكهرباء من الشمس حتى لو كانت الشمس غير مشرقة. وهذا يغيّر كل شيء. لأنه بعد ذلك مصادر الطاقة المتجددة مثل الرياح و الطاقة الشمسية تأتي من الأماكن البعيدة، إلى منتصف المسرح هنا. سأحدثكم اليوم عن جهاز كهذا. إنه يُدعى بطارية المعدن السائل. و هو شكل جديد لتخزين الطاقة قمت بابتكاره في معهد ماساتشوستس للتقنية جنباً إلى جنب مع فريق من تلامذتي و علماء و باحثين.
You see, the battery is the key enabling device here. With it, we could draw electricity from the sun even when the sun doesn't shine. And that changes everything. Because then renewables such as wind and solar come out from the wings, here to center stage. Today I want to tell you about such a device. It's called the liquid metal battery. It's a new form of energy storage that I invented at MIT along with a team of my students and post-docs.
حالياً الموضوع الأساسي لمؤتمر TED هو " الطيف الكامل ". يُعرّف قاموس أكسفورد للغة الإنجليزية الطيف بـ " المجموعة الكاملة من موجات الإشعاع الكهرومغناطيسي، الناتج من الموجات الراديوية الأطول إلى أشعة الجاما الأقصر التي يُشكل الضوء المرئي جزء صغير منها فقط." إذن أنا لست هنا اليوم لأحدثكم فقط كيف استطاع فريقي في معهد ماساتشوستس للتقنية استمداد حل من الطبيعة لأحد أكبر مشكلات العالم. أريد أن أتحدث عن الطيف الكامل و سأخبركم كيف، خلال عملية تطوير هذه التقنية الجديدة, كشفنا عن بعض الهرطقات الغريبة التي يمكن أن تُفيد كدروس للابتكار، أفكار تستحق الإنتشار. أنتم تعلمون، إن كنا سنغير من وضع الطاقة الحالي في البلاد، لا يجب فقط أن نحافظ على طريقتنا; لا يجب فقط أن نُعلم طريقتنا لا يجب أن نخفق في طريقتنا. سنفعل ذلك بطريقتنا الأمريكية القديمة، سنبتكر طريقتنا الخاصة بنا، بالعمل معاً.
Now the theme of this year's TED Conference is Full Spectrum. The OED defines spectrum as "The entire range of wavelengths of electromagnetic radiation, from the longest radio waves to the shortest gamma rays of which the range of visible light is only a small part." So I'm not here today only to tell you how my team at MIT has drawn out of nature a solution to one of the world's great problems. I want to go full spectrum and tell you how, in the process of developing this new technology, we've uncovered some surprising heterodoxies that can serve as lessons for innovation, ideas worth spreading. And you know, if we're going to get this country out of its current energy situation, we can't just conserve our way out; we can't just drill our way out; we can't bomb our way out. We're going to do it the old-fashioned American way, we're going to invent our way out, working together.
( تصفيق )
(Applause)
و الآن لنبدأ. تم اختراع البطارية منذ ما يقارب المائتي عام عن طريق بورفيسور يُدعى، أليساندرو فولتا، في جامعة باندوا في إيطاليا. أنجب ابتكاره حقل علمي جديد، الكيمياء الكهربائية، و تقنيات جديدة مثل الطلاء الكهربائي. ربما نغفل عن هذا، ابتكار فولتا للبطارية للمرة الأولى أيضاً يوضح أهمية الاستاذ. (ضحك) قبل فولتا، لا يستطيع أحد تخيل أستاذ يمكن أن يكون ذا فائدة.
Now let's get started. The battery was invented about 200 years ago by a professor, Alessandro Volta, at the University of Padua in Italy. His invention gave birth to a new field of science, electrochemistry, and new technologies such as electroplating. Perhaps overlooked, Volta's invention of the battery for the first time also demonstrated the utility of a professor. (Laughter) Until Volta, nobody could imagine a professor could be of any use.
هذه هي البطارية الأولى -- كومة من النقود المعدنية، زنك و فضة، منفصلة بواسطة ورق مقوى مغموس في محلول ملحي. هذه هي نقطة البداية لتصميم بطارية -- قطبين كهربائيين، في هذه الحالة معادن بتركيبات مختلفة، و محلول الكهرباء، في هذه الحالة ملح مذاب في الماء. إن العلم بهذه البساطة. أعترف أنني تجاوزت بعض التفاصيل.
Here's the first battery -- a stack of coins, zinc and silver, separated by cardboard soaked in brine. This is the starting point for designing a battery -- two electrodes, in this case metals of different composition, and an electrolyte, in this case salt dissolved in water. The science is that simple. Admittedly, I've left out a few details.
لقد علمتكم الآن أن علم البطاريات واضح و مباشر و الحاجة إلى تخزين على مستوى الشبكات هي حاجة ملحة. لكن الحقيقة هي أنه ببساطة لا يوجد اليوم تقنية بطاريات قادرة على أن تفي بـ شروط متطلبات أداء الشبكة الكهربائية -- أعني طاقة عالية بشكل استثنائي، خدمة طويلة المدى و تكلفة منخفضة جداً. نحتاج أن نفكر في المشكلة بطريقة مختلفة. علينا أن نفكر بأشياء كبيرة، علينا أن نفكر بأشياء قليلة التكلفة.
Now I've taught you that battery science is straightforward and the need for grid-level storage is compelling, but the fact is that today there is simply no battery technology capable of meeting the demanding performance requirements of the grid -- namely uncommonly high power, long service lifetime and super-low cost. We need to think about the problem differently. We need to think big, we need to think cheap.
لذا لنتخلى عن النموذج الذي يقول دعونا نبحث عن أروع الكيمياء ونأمل بعدها أن نلحق بمنحنى التكلفة من خلال صنع الكثير و الكثير من المنتجات. بدلاً من ذلك، لنبتكر إلى حد الوصول لنقطة السعر في سوق الكهرباء. و يعني هذا أن أجزاء معينة من الجدول الدوري بديهياً محظورة. هذه البطارية تحتاج أن تكون مصنوعة من عناصر طبيعية وفيرة. أنا أقول, إن كنت تريد أن تجعل الشيئ القذر رخيصاً، اصنعه من القذارة -- ( ضحك ) تُفضل القذارة محلية المصدر. و لكي نكون قادرين على صنع هذا الشئ، نحتاج إلى استخدام تقنيات تصنيعية بسيطة و مصانع لا تكلفنا مبالغ ضخمة.
So let's abandon the paradigm of let's search for the coolest chemistry and then hopefully we'll chase down the cost curve by just making lots and lots of product. Instead, let's invent to the price point of the electricity market. So that means that certain parts of the periodic table are axiomatically off-limits. This battery needs to be made out of earth-abundant elements. I say, if you want to make something dirt cheap, make it out of dirt -- (Laughter) preferably dirt that's locally sourced. And we need to be able to build this thing using simple manufacturing techniques and factories that don't cost us a fortune.
لذا، منذ حوالي ست سنوات، بدأت تشغل فكري هذه المشكلة. و لكي أتبنى منظور جديد، بحثت عن الإلهام بعيداً عن مجال تخزين الطاقة الكهربائية. في الواقع, تطلعت إلى تقنية لا تخزن ولا تولد الكهرباء، لكن بدلاً من ذلك تستهلك الكهرباء، كمية كبيرة منه. أنا أتحدث عن إنتاج الألمونيوم. تم ابتكار هذه العملية في عام 1886 عن طريق شخصين يبلغ كل منهما 22 عاماً -- هال في الولايات المتحدة و هيرولت في فرنسا. و بعد سنوات قليلة فقط من اكتشافهما، تغير الألمونيوم من معدن ثمين تكلفته تساوي تكلفة الفضة إلى مادة بنائية خام شائعة.
So about six years ago, I started thinking about this problem. And in order to adopt a fresh perspective, I sought inspiration from beyond the field of electricity storage. In fact, I looked to a technology that neither stores nor generates electricity, but instead consumes electricity, huge amounts of it. I'm talking about the production of aluminum. The process was invented in 1886 by a couple of 22-year-olds -- Hall in the United States and Heroult in France. And just a few short years following their discovery, aluminum changed from a precious metal costing as much as silver to a common structural material.
أنتم تنظرون إلى خلايا في مصهر ألمونيوم حديث. يبلغ عرضها تقريباً 50 قدم و تبعد تقريباً نصف ميل -- صف بعد صف من الخلايا التي تشبه بطارية فولتا من الداخل، مع ثلاث اختلافات مهمة، بطارية فولتا تعمل على درجة حرارة الغرفة. إنها مزودة بأقطاب صلبة و محلول كهربائي، و ذلك محلول الملح و الماء. خلية هال و هيرولت تعمل في درجات حرارة عالية، درجة حرارة عالية بما يكفي لجعل منتج معدن الألمونيوم سائلاً. المحلول الكهربائي ليس محلولاً من الملح و الماء، و لكنه عبارة عن ملح مذاب. إنها هذه التركيبة من المعدن السائل، و الملح الذائب و الحرارة العالية التي تمكننا من إرسال تيار عالي من خلال هذا الشيء. نستطيع اليوم أن ننتج معدن أولي من مصدر خام بتكلفة تبلغ أقل من 50 سنتاً للرطل. تلك هي المعجزة الإقتصادية للتعدين الكهربائي الحديث.
You're looking at the cell house of a modern aluminum smelter. It's about 50 feet wide and recedes about half a mile -- row after row of cells that, inside, resemble Volta's battery, with three important differences. Volta's battery works at room temperature. It's fitted with solid electrodes and an electrolyte that's a solution of salt and water. The Hall-Heroult cell operates at high temperature, a temperature high enough that the aluminum metal product is liquid. The electrolyte is not a solution of salt and water, but rather salt that's melted. It's this combination of liquid metal, molten salt and high temperature that allows us to send high current through this thing. Today, we can produce virgin metal from ore at a cost of less than 50 cents a pound. That's the economic miracle of modern electrometallurgy.
إن هذا ما جذب انتباهي و استولى عليه إلى درجة أني أصبحت مهووس بابتكار بطارية تتمكن من الإستيلاء على هذا الاقتصاد الضخم. و قد فعلت. قمت بصناعة بطارية بمكونات سائلة -- معادن سائلة لكلا القطبين الكهربائيين و ملح مذاب للمحلول الكهربائي. سأريكم كيف ذلك. قمت بوضع معدن سائل منخفض الكثافة في الأعلى، و وضعت معدن سائل مرتفع الكثافة في الأسفل، و الملح المذاب بينهما.
It is this that caught and held my attention to the point that I became obsessed with inventing a battery that could capture this gigantic economy of scale. And I did. I made the battery all liquid -- liquid metals for both electrodes and a molten salt for the electrolyte. I'll show you how. So I put low-density liquid metal at the top, put a high-density liquid metal at the bottom, and molten salt in between.
و الآن، كيف يتم اختيار المعادن؟ بالنسبة لي، ممارسة التصميم تبدأ دائماً من هنا بالجدول الدوري، الذي أفصح عنه استاذ آخر، ديمتري ميندلييف. كل شيء نعرفه مصنوع من تركيبة ما مكونة من ما ترونه مصوراً هنا. وهذا يشمل أجسادنا. تعود إلى ذهني لحظة في يومٍ ما عندما كنت أبحث عن زوج من المعادن من شأنها أن تواجه عقبات توفر المصادر الطبيعية، كثافة مختلفة و متضاربة و تفاعل عالي متبادل. أحسست بلذة المعرفة عندما عرفت أني سأقترب من الجواب. المغنيسيوم في الطبقة العليا و الأنتيمون ( الإثمد ) في الطبقة السفلى. حسناً، علي أن أخبركم، أن أحد أعظم الفوائد من العمل كاستاذ: الطباشير الملونة.
So now, how to choose the metals? For me, the design exercise always begins here with the periodic table, enunciated by another professor, Dimitri Mendeleyev. Everything we know is made of some combination of what you see depicted here. And that includes our own bodies. I recall the very moment one day when I was searching for a pair of metals that would meet the constraints of earth abundance, different, opposite density and high mutual reactivity. I felt the thrill of realization when I knew I'd come upon the answer. Magnesium for the top layer. And antimony for the bottom layer. You know, I've got to tell you, one of the greatest benefits of being a professor: colored chalk.
( ضحك )
(Laughter)
إذن لإنتاج تيار، يفقد المغنيسيوم اثنين من الالكترونات ليصبح أيون المغنيسيوم، الذي ينتقل حينها عبر محلول الكهرباء، و يقبل اثنين من الإلكترونات من الأنتيمون، ثم يمتزج معه ليشكل خليط معدني. تعمل الإلكترونات في العالم الحقيقي هنا، لتشغيل أجهزتنا. الآن, لشحن البطارية، نقوم بتوصيل مصدر للكهرباء. قد يكون شيئاً ما مثل مزرعة رياح. و من ثم نعكس التيار. و هذا يجعل المغنيسيوم يقوم بعملية التصفية الإنتقائية و يجعله يعود إلى القطب الكهربائي العلوي، مستعيداً التكوين الأول للبطارية. و التيار العابر بين الأقطاب الكهربائية يولد مايكفي من الحرارة للحفاظ على درجة الحرارة.
So to produce current, magnesium loses two electrons to become magnesium ion, which then migrates across the electrolyte, accepts two electrons from the antimony, and then mixes with it to form an alloy. The electrons go to work in the real world out here, powering our devices. Now to charge the battery, we connect a source of electricity. It could be something like a wind farm. And then we reverse the current. And this forces magnesium to de-alloy and return to the upper electrode, restoring the initial constitution of the battery. And the current passing between the electrodes generates enough heat to keep it at temperature.
هذا جميل جداً، من الناحية النظرية على الأقل. لكن هل يعمل ذلك بالفعل؟ ما الخطوة المقبلة إذن؟ نذهب إلى المختبر. الآن، هل أقوم بتوظيف متخصصين متمرسين؟ لا، أنا أُشغِّل تلميذ و أقوم بإرشاده و أعلّمه كيف يفكر في المشكلة، ليراها من منظوري ثم أطلق له العنان. هذا هو ذلك التلميذ، ديفيد برادويل، الذي يظهر في هذه الصورة وهو متعجباً ما إن كان هذا الشيء سيعمل. مالم أقله لديفيد في ذلك الوقت كان أني أنا نفسي لم أكن مقتنعاً أن ذلك سيعمل.
It's pretty cool, at least in theory. But does it really work? So what to do next? We go to the laboratory. Now do I hire seasoned professionals? No, I hire a student and mentor him, teach him how to think about the problem, to see it from my perspective and then turn him loose. This is that student, David Bradwell, who, in this image, appears to be wondering if this thing will ever work. What I didn't tell David at the time was I myself wasn't convinced it would work.
لكن ديفيد شاب ذكي و يريد الحصول على درجة الدكتوراه، و شرع في إنشاء -- (ضحك) شرع في إنشاء أول بطارية معدن سائل من هذا النوع من الكيمياء. واستناداً على نتائج ديفيد الأولية الواعدة, التي دُفعت تكاليفها من خلال التمويل الأولي من معهد ماساتشوستس للتقنية، تمكنت من جذب انتباه كبرى صناديق تمويل البحوث من القطاع الخاص و الحكومة الإتحادية. و هذا مكنني من توسيع مجموعتي حتى وصلت إلى عشرين شخص، مزيج من طلاب دراسات عليا، وعلماء وباحثين و أيضاً بعض الطلاب الجامعيين.
But David's young and he's smart and he wants a Ph.D., and he proceeds to build -- (Laughter) He proceeds to build the first ever liquid metal battery of this chemistry. And based on David's initial promising results, which were paid with seed funds at MIT, I was able to attract major research funding from the private sector and the federal government. And that allowed me to expand my group to 20 people, a mix of graduate students, post-docs and even some undergraduates.
و استطعت أن أجذب انتباه أشخاص رائعين جداً جداً، أشخاص يشاركوني شغفي بالعلوم و تقديم الخدمة للمجتمع، ليس العلوم و تقديم الخدمة من أجل البناء الوظيفي. ولو سألتم أولئك الأشخاص عن سبب عملهم على تكوين بطارية معدنية سائلة، جوابهم سيعيدنا إلى تصريحات الرئيس كينيدي في جامعة رايس عام 1962 عندما قال -- أنا أرفع الكلفة هنا -- "نحن اخترنا أن نعمل على تخزين على مستوى الشبكة ليس لأنه سهلاً، بل لأنه صعباً."
And I was able to attract really, really good people, people who share my passion for science and service to society, not science and service for career building. And if you ask these people why they work on liquid metal battery, their answer would hearken back to President Kennedy's remarks at Rice University in 1962 when he said -- and I'm taking liberties here -- "We choose to work on grid-level storage, not because it is easy, but because it is hard."
(تصفيق)
(Applause)
إذن من هنا نشأت بطارية المعدن السائل. بدأنا هنا باستخدام آلتنا ذات الخلية بقدرة واط - ساعة. أسميها طلقة الزجاج. قمنا بتشغيل أكثر من 400 آلة من هذا النوع، متقنة أدائها باستخدام عدد وافر من المواد الكيميائية -- ليس فقط المغنيسيوم و الأنتيمون. خلال ذلك قمنا بزيادة حجم العمل إلى خلية بقدرة 20 واط - ساعة. أسميها قرص الهوكي. و حصلنا على نفس النتائج الرائعة. ثم زدنا حجم العمل إلى صحن الفنجان وهي خلية بقدرة 200 واط - ساعة كانت هذه التقنية تثبث نفسها لتكون قوية و قابلة للتطوير. لكن الوتيرة لم تكن بالسرعة الكافية بالنسبة لنا. لذلك منذ سنة ونصف، أنا و ديفيد، مع باحث آخر، قمنا بتأسيس شركة لتسريع وتيرة التقدم و السباق لتصنيع المنتج.
So this is the evolution of the liquid metal battery. We start here with our workhorse one watt-hour cell. I called it the shotglass. We've operated over 400 of these, perfecting their performance with a plurality of chemistries -- not just magnesium and antimony. Along the way we scaled up to the 20 watt-hour cell. I call it the hockey puck. And we got the same remarkable results. And then it was onto the saucer. That's 200 watt-hours. The technology was proving itself to be robust and scalable. But the pace wasn't fast enough for us. So a year and a half ago, David and I, along with another research staff-member, formed a company to accelerate the rate of progress and the race to manufacture product.
لذا نقوم اليوم في معهد ماساتشوستس للتقنية، بإنشاء خلايا يبلغ قطرها 16 بوصة بقدرة واحد كيلو واط - ساعة -- تفوق بألف مرة قدرة خلية طلقة الكأس الأولى. ندعو هذه الخلايا بالبيتزا. ثم حصلنا على خلية ستظهر قريبا بقدرة أربعة كيلو واط - ساعة. سيبلغ قطرها 36 بوصة. نسميها طاولة الحانة، لكنها غير جاهزة بعد للعرض في فترات الذروة. و عامل تكنولوجي متغير قادنا إلى تجميع هذه الخلايا المسماة بطاولة الحانة إلى وحدات، و تجميع الوحدات في بطارية عملاقة تناسب حجم حاوية شحن فئة 40 قدم للاستثمار في هذا المجال. و تبلغ الطاقة الإسمية لهذه البطارية اثنين ميغاواط/ساعة -- 2 مليون واط/ساعة. هذه طاقة كافية لتلبية الإحتياجات الكهربائية اليومية لمئتين أسرة أمريكية. إذن هذا مالديكم هنا، تخزين على مستوى الشبكات: صامت، خالي من الإنبعاثات، بلا أجزاء متحركة، يتم التحكم به عن بعد، مُصمَّم ليصل إلى نقطة سعر السوق بدون إعانات مالية.
So today at LMBC, we're building cells 16 inches in diameter with a capacity of one kilowatt-hour -- 1,000 times the capacity of that initial shotglass cell. We call that the pizza. And then we've got a four kilowatt-hour cell on the horizon. It's going to be 36 inches in diameter. We call that the bistro table, but it's not ready yet for prime-time viewing. And one variant of the technology has us stacking these bistro tabletops into modules, aggregating the modules into a giant battery that fits in a 40-foot shipping container for placement in the field. And this has a nameplate capacity of two megawatt-hours -- two million watt-hours. That's enough energy to meet the daily electrical needs of 200 American households. So here you have it, grid-level storage: silent, emissions-free, no moving parts, remotely controlled, designed to the market price point without subsidy.
فماذا تعلمنا من كل هذا؟ (تصفيق) ماذا تعلمنا من كل هذا؟ دعوني أشارككم بعض المفاجآت, الهرطقات. إنها مخفية. درجة الحرارة: الحكمة التقليدية تقول أن علينا أن نبقيها منخفضة، بدرجة حرارة الغرفة أو بدرجة قريبة منها، ثم نقوم بتركيب جهاز تحكم ليبقيها على تلك الدرجة. تجنبوا الإنطلاق الحراري. بطارية المعدن السائل مصممة لتعمل على درجة حرارة مرتفعة مع ضبط أدنى. يمكن لبطاريتنا أن تتعامل مع ارتفاع درجات الحرارة العالية جداً الصادرة من موجات التيار. القياس: تقول الحكمة التقليدية أن خفض التكلفة يكون بالإنتاج الكثير. بطارية المعدن السائل مصممة لتقلل التكلفة بالإنتاج القليل, لكنها ستكون أكبر. و أخيراً، المصادر البشرية: تقول الحكمة التقليدية بأن علينا تشغيل خبراء في صناعة البطاريات، متخصصين متمرسين، الذين يمكن الإستفادة من خبرتهم و معرفتهم الواسعة. لتطوير بطارية المعدن السائل، قمت بتشغيل طلاب و باحثين مع تقديم الإرشاد لهم. عند صناعة بطارية، عملت جاهداً من أجل تحقيق أقصى قدرة كهربائية؛ عند الإرشاد، عملت جاهداً من أجل الوصول إلى أقصى قدرة بشرية. كما ترون، قصة بطارية المعدن السائل هي أكثر من مجرد قصة لابتكار تكنولوجي، إنها مخطط لابتكار مخترعين، الطيف الكامل.
So what have we learned from all this? (Applause) So what have we learned from all this? Let me share with you some of the surprises, the heterodoxies. They lie beyond the visible. Temperature: Conventional wisdom says set it low, at or near room temperature, and then install a control system to keep it there. Avoid thermal runaway. Liquid metal battery is designed to operate at elevated temperature with minimum regulation. Our battery can handle the very high temperature rises that come from current surges. Scaling: Conventional wisdom says reduce cost by producing many. Liquid metal battery is designed to reduce cost by producing fewer, but they'll be larger. And finally, human resources: Conventional wisdom says hire battery experts, seasoned professionals, who can draw upon their vast experience and knowledge. To develop liquid metal battery, I hired students and post-docs and mentored them. In a battery, I strive to maximize electrical potential; when mentoring, I strive to maximize human potential. So you see, the liquid metal battery story is more than an account of inventing technology, it's a blueprint for inventing inventors, full-spectrum.
(تصفيق)
(Applause)