توسعه فناوری‌های ذخیره‌سازی هیدروژن به‌عنوان یکی از اجزای کلیدی در انتقال به انرژی‌های پاک و پایدار اهمیت چشمگیری دارد. با توجه به نقش هیدروژن در کاهش انتشار کربن و دستیابی به اهداف محیط زیستی، پژوهش‌های علمی و فعالیت‌های ثبت اختراع در این زمینه به شدت افزایش یافته است. این مقاله به بررسی روندهای ثبت اختراع مرتبط با مواد ذخیره هیدروژن، از جمله هیدریدهای ساده، بوروهیدریدها، آلانات‌ها، زئولیت‌ها، و نانولوله‌های کربنی می‌پردازد. ما به تحلیل جغرافیایی و زمانی ثبت اختراعات، برجسته‌سازی کشورهای پیشرو و نقش آنها در توسعه فناوری‌های نوآورانه پرداخته و همچنین دلایل و پیامدهای کاهش اخیر در ثبت اختراعات جهانی را مورد بررسی قرار می‌دهیم. هدف این تحلیل، ارائه تصویری جامع از وضعیت فعلی و چالش‌های موجود در فناوری‌های ذخیره هیدروژن و پیش‌بینی تحولات آینده این حوزه است.
مواد ذخیره هیدروژن: روند ثبت اختراع و پیشرفت‌های جهانی
تعداد اسناد ثبت اختراع جهانی برای مواد ذخیره هیدروژن در دوره‌های اولیه با سرعت چشمگیری افزایش یافت و در بازه زمانی 2006 تا 2009 به اوج رسید. با این حال، در دوره 2010 تا 2013، این روند کاهشی را تجربه کرد، همان‌طور که در شکل زیر نشان داده شده است. پتنت‌های سه‌گانه، اختراعاتی هستند که دارای پوشش جهانی قوی‌تر بوده و شامل شماره‌های ثبت از دفاتر اصلی اختراع در ایالات متحده، اروپا، و ژاپن هستند.
تحولات قابل‌توجه در فناوری مواد ذخیره‌سازی هیدروژن عمدتاً در اواخر دهه 90 و اوایل دهه 2000 رخ داد. ژاپن، با طرح جدید “آفتاب”، نقش پیشرویی در تأمین مالی تحقیقات ایفا کرد و این تلاش‌ها باعث رهبری این کشور در ثبت اختراعات تا سال 2005 شد (مطابق شکل زیر). علاوه بر این، ایالات متحده با اجرای ابتکار 1.2 میلیارد دلاری سوخت هیدروژنی و برنامه FreedomCAR، به پیشرفت فناوری کمک شایانی کرد. در همین دوره، اتحادیه اروپا نیز ابتکارات مشابهی را برای افزایش پیشرفت‌ها در این حوزه آغاز کرد، که احتمالاً به رشد درخواست‌های ثبت اختراع در آن منطقه منجر شد.
نقش جهانی کشورهای مختلف در توسعه علمی مواد ذخیره هیدروژن
کره جنوبی، به‌عنوان یکی از بازیگران مهم در این عرصه، از روند جهانی پیروی کرده و نقش مؤثری داشته است. همچنین، چین با روند افزایشی مداوم در تعداد ثبت اختراعات، در سال‌های 2010 تا 2013 به رتبه اول رسید. با این حال، همان‌طور که در شکل بالا مشاهده می‌شود، در این دوره کاهش قابل‌توجهی در پتنت‌های ثبت شده توسط ایالات متحده، ژاپن، اروپا و کره مشاهده می‌شود که با کاهش انگیزه‌های توسعه فناوری همراه است.
علیرغم رهبری چین در تعداد کل ثبت اختراعات مرتبط با مواد ذخیره هیدروژن، این کشور در کل دوره هیچ پتنت سه‌گانه‌ای ثبت نکرده است. این موضوع پرسش‌هایی را درباره ارزش اقتصادی فناوری‌های توسعه یافته در چین ایجاد می‌کند (شکل زیر). تحقیقات نشان می‌دهد که رشد چشمگیر در تعداد ثبت اختراعات به‌طور قابل‌توجهی ناشی از برنامه‌های یارانه‌ای دولت‌های چین و مناطق مختلف بوده است. به‌ویژه، دانشگاه‌ها و مؤسسات تحقیقاتی این کشور اغلب بدون نگرانی از ارزش اقتصادی یا کاربردهای عملی اختراعات، تنها برای تأثیرگذاری بر ارتقای شغلی و جایگاه علمی ثبت اختراعات انجام داده‌اند. بنابراین، افزایش شدید در تعداد ثبت اختراعات لزوماً با افزایش کیفیت آنها همراه نبوده است.
اگرچه ژاپن بیشترین تعداد اختراعات را در این حوزه ثبت کرده است، اما اتحادیه اروپا و ایالات متحده بیشترین پتنت‌های سه‌گانه را در این دوره داشتند. این وضعیت نشان‌دهنده تمایل شرکت‌های این مناطق به حفاظت از فناوری‌های خود در بازارهای بین‌المللی است. در مقابل، روسیه تنها 31 اختراع و هند 4 اختراع ثبت کرده‌اند و هیچ‌یک از آنها سه‌گانه نیستند.
تأثیر موسسات تحقیقاتی و روند تحقیقات پایه در جهان
شکل زیر توزیع پتنت‌ها را میان شرکت‌ها و موسسات تحقیقاتی نمایش می‌دهد و نشان می‌دهد که از سال 2009، تعداد ثبت اختراعات موسسات تحقیقاتی از شرکت‌ها پیشی گرفته است. این موضوع بیانگر نیاز مبرم این حوزه به پیشرفت‌های بیشتر در تحقیقات اساسی است.
وضعیت چرخه عمر فناوری
بررسی چرخه حیات تکنولوژیکی مواد ذخیره هیدروژن بر اساس چارچوب Mogee (شکل زیر) نشان می‌دهد که این فناوری‌ها به سمت مرحله بلوغ حرکت می‌کنند. با این حال، آینده این فناوری همچنان نامشخص است، چرا که نقطه آخر این تحلیل نزدیک به مرکز نمودار قرار دارد، و ممکن است فناوری به هر بخش از چرخه حیات تکنولوژیکی مهاجرت کند.
تجزیه و تحلیل ثبت اختراعات بر اساس کلاس‌های مواد ذخیره‌سازی هیدروژن
شکل زیر تعداد کل اسناد ثبت اختراع (اعم از جهانی و سه‌گانه) را برای هر دسته از مواد ذخیره‌سازی هیدروژن نمایش می‌دهد. در میان این دسته‌ها، تلاش‌های گسترده‌ای برای توسعه فناوری‌های هیدریدهای ساده و بوروهیدریدها صورت گرفته است، که به همین دلیل این دو کلاس سهم بزرگی از درخواست‌های ثبت اختراع جهانی و سه‌گانه را به خود اختصاص داده‌اند.
اگرچه در دوره اخیر، کاهش‌هایی در تحلیل حوزه عمومی مشاهده شده است (طبق شکل زیر)، اما این دو فناوری همچنان روند رشد ثابتی در ثبت اختراعات نشان داده‌اند.
فناوری‌های آلانات‌ها و زئولیت‌ها نیز پیشرفت‌های مهمی را تجربه کرده‌اند، اگرچه تعداد درخواست‌های ثبت اختراع آنها اخیراً کاهش یافته است. در خصوص نانولوله‌های کربنی، علیرغم تعداد بالای اسناد ثبت اختراع، تنها درصد کمی از آنها به پتنت‌های سه‌گانه تبدیل شده‌اند. در اوج‌گیری ثبت اختراعات نانولوله‌های کربنی، سال‌های 2002 و 2005 نقش مهمی داشتند، اما پس از آن کاهش شدید و عملکرد ضعیف گزارش شده، نشانه‌هایی از رها شدن این فناوری را ارائه کرده است.
بررسی تشابه فنی فناوری‌ها و کلاس‌بندی آنها
هیدریدهای ساده، مشابه میدان عمومی، در سال‌های 2006 تا 2009 به اوج خود رسیدند و در سال‌های 2010 تا 2013 کاهش مختصری را تجربه کردند (طبق شکل زیر). در مقابل، بوروهیدریدها رشد ثابتی داشته و در دوره‌های اخیر به جایگاه برتر رسیده‌اند. رشد اخیر در ثبت اختراعات آلیاژهای AB5 نیز به افزایش ثبت اختراعات چینی مرتبط است.
برای اسناد ثبت اختراع، معمول است که چندین کلاس ماده ذخیره هیدروژن را به دلیل شباهت در حل مشکل ذخیره‌سازی هیدروژن ادعا کنند. شکل زیر نشان‌دهنده کلاس‌بندی فناوری‌های مواد ذخیره هیدروژن است، که در آن سه کلاس اصلی برجسته می‌شوند. کلاس اول شامل مواد ذخیره هیدروژن بینابینی است، که آلیاژهای AB5 و آلیاژهای محلول جامد کلاس‌های کلیدی آن هستند. کلاس دوم به مواد ذخیره هیدروژن با ظرفیت بالا اشاره دارد، که هیدریدهای ساده و بوروهیدریدها در مرکز توجه آن هستند. کلاس سوم بر ذخیره‌سازی مبتنی بر جذب متمرکز است و نانولوله‌های کربنی کلاس اصلی این گروه هستند.
توزیع و سهم کلاس‌های مختلف
مواد ذخیره‌سازی هیدروژن با ظرفیت بالا، با 44 درصد از کل اسناد ثبت اختراع (2026 مورد)، بزرگ‌ترین سهم را به خود اختصاص داده‌اند. در این کلاس، هیدریدهای ساده و بوروهیدریدها کلاس‌های اصلی هستند و به ترتیب 53% و 46% از پتنت‌های مربوط را تشکیل می‌دهند. کلاس مبتنی بر جذب، با نانولوله‌های کربنی به عنوان کلاس اصلی، 42% از این دسته را شامل می‌شود. در نهایت، مواد ذخیره‌سازی هیدروژن بینابینی 24 درصد از نمونه را به خود اختصاص می‌دهند، با آلیاژهای AB5 و محلول‌های جامد که به ترتیب 48% و 47% از سهم این کلاس را تشکیل می‌دهند.
برجستگی و توزیع پتنت‌های سه‌گانه
با توجه به ارزش اقتصادی بالاتر فرض شده، بررسی پتنت‌های سه‌گانه می‌تواند برجستگی فناوری‌های آینده در مناطق مختلف را مشخص کند. شکل زیر توزیع پتنت‌های سه‌گانه را در میان قلمروهای اولویت نشان می‌دهد. به عنوان مثال، ژاپن 4 و کره جنوبی 2 پتنت سه‌گانه در کلاس AB2 دارند.
در میان دسته‌های اصلی مواد ذخیره‌سازی هیدروژن، هیدریدهای ساده بین ایالات متحده و اتحادیه اروپا به تعادل رسیده‌اند و هر دو 23 پتنت سه‌گانه دارند. در مقابل، بوروهیدریدها عمدتاً تحت سلطه ایالات متحده هستند. در کلاس آلاناتس، ایالات متحده و اتحادیه اروپا به ترتیب با 14 و 11 پتنت سه‌گانه، جایگاه‌های پیشرو را حفظ کرده‌اند.
روند کاهشی ثبت اختراعات و تفسیر چرخه عمر فناوری
در سال‌های اخیر، به استثنای چین، روند ثبت اختراعات مواد ذخیره هیدروژن به‌طور قابل توجهی کاهش یافته است. این روند می‌تواند به‌عنوان نشانه‌ای از کنار گذاشتن فناوری تلقی شود، اما در عین حال، کاهش ثبت اختراعات در مرحله تثبیت چرخه عمر فناوری، امری طبیعی است. این کاهش همچنین می‌تواند بازتابی از مرحله ناامیدی در چرخه هیپ تکنولوژیکی باشد، که در آن انتظارات متورم اولیه با پیشرفت‌های واقعی فناوری همگرا می‌شود. با افزایش تحقیقات علمی و ورود خودروهای هیدروژنی و فناوری‌های ذخیره‌سازی به بازار تجاری، به نظر می‌رسد که این همگرایی به واقعیت نزدیک‌تر است.
هرچند برخی کلاس‌های مواد، مانند نانولوله‌های کربنی، نشانه‌هایی از رها شدن را نشان می‌دهند، هنوز هیچ فناوری غالبی در این حوزه پدیدار نشده است. این مسئله به این معناست که گزینه‌های متنوعی از جایگزین‌های تکنولوژیکی همچنان برای حل چالش ذخیره‌سازی هیدروژن وجود دارند. با این حال، در کلاس مواد ذخیره‌سازی هیدروژن با ظرفیت بالا، ثبت اختراعات بیشتری، به‌ویژه برای هیدریدهای ساده و بوروهیدریدها، مشاهده می‌شود.
در حالی که چین در سال‌های اخیر به‌شدت تعداد ثبت اختراعات خود را افزایش داده، این اختراعات عمدتاً در سطح ملی باقی مانده و به‌ندرت در سطح بین‌المللی ثبت شده‌اند. این عدم بین‌الملی‌سازی پتنت‌ها موجب نگرانی‌هایی درباره ارزش اقتصادی فناوری‌های توسعه‌یافته در چین شده است. بر اساس پتنت‌های سه‌گانه، ایالات متحده و اتحادیه اروپا در هیدریدهای ساده، ایالات متحده در بوروهیدریدها، و ژاپن در آلیاژهای محلول جامد پیشتاز هستند. این داده‌ها می‌توانند بازیگران کلیدی آینده را در این فناوری‌ها مشخص کنند.
با وجود تمام این داده‌ها، همچنان ابهاماتی درباره توسعه فناوری مواد ذخیره‌سازی هیدروژن، مرحله چرخه عمر تکنولوژیکی، و انتخاب مناسب‌ترین کلاس مواد وجود دارد. بنابراین، نظارت و تحلیل مداوم در سال‌های آینده برای درک بهتر و پیش‌بینی تحولات این حوزه ضروری خواهد بود.
جمع‌بندی
در تحلیل ارائه شده، روشن شد که توسعه مواد ذخیره‌سازی هیدروژن همچنان یکی از اولویت‌های اصلی در دستیابی به اقتصادهای کم‌کربن و سازگار با محیط زیست باقی مانده است. اگرچه کشورهایی مانند ژاپن، ایالات متحده، و اتحادیه اروپا در ثبت پتنت‌های سه‌گانه نقش برجسته‌ای ایفا کرده‌اند و چین به‌طور مداوم تعداد ثبت اختراعات خود را افزایش داده است، همچنان عدم قطعیت‌هایی در خصوص فناوری‌های غالب و مسیرهای آتی پیشرفت وجود دارد. کاهش ثبت اختراعات در سال‌های اخیر، اگرچه می‌تواند به دلیل مرحله تثبیت چرخه فناوری باشد، نشان‌دهنده پیچیدگی‌های مرتبط با تجاری‌سازی و استفاده عملی این فناوری‌هاست. با وجود این، گزینه‌های تکنولوژیکی متنوعی همچنان برای حل چالش ذخیره‌سازی هیدروژن باز هستند. بنابراین، نظارت مداوم و سرمایه‌گذاری در تحقیق و توسعه در سال‌های آینده برای شکل‌دهی آینده فناوری‌های ذخیره هیدروژن حیاتی است. این امر می‌تواند به هدایت بهتر استراتژی‌های ملی و بین‌المللی در مسیر دستیابی به یک اقتصاد پایدار کمک کند.
