استخلاص وقود نظيف من أشعة الشمس

إن تأمين طاقة تكفي لتلبية احتياجات البشر هو أحد أكبر التحديات التي تواجه المجتمع، فمصادر الطاقة التي نستخدمها كالبترول والغاز الطبيعي والفحم مصادر غير متجددة وغير نظيفة تسبب تلوث الهواء والاحتباس الحراري الذي يزداد عامًا بعد عام. وفي نفس الوقت، وبحلول عام 2050 سيصل عدد الأشخاص الذين يعملون بالقطاع الصناعي إلى 10 مليارات. القطاع الصناعي سيستمر في النمو، وستنمو معه حاجتنا إلى الطاقة، لذا فإن التوصل إلى مصادر بديلة ونظيفة للطاقة أمر في غاية الأهمية. 

يستكشف الباحثون في ASU’s Biodesign Center تقنيات جديدة يمكن أن تمهد الطريق للحصول على طاقة متجددة ونظيفة، للمساعدة في تلبية الطلب العالمي للطاقة.

وفي بحثهم الجديد الذي نُشر في مجلة الجمعية الأمريكية (JACS)، يقوم المؤلف الرئيسي برايان وادزورث، إلى جانب الزملاء آنا بيلر، وديانا خوسنوتدينوفا، وإدجار رييس كروز، والمؤلف غاري مور بوصف تقنية جديدة، والتي تعتمد في عملها على أشباه الموصلات المجمعة للضوء والمواد الحفزية، حيث يحدث داخل الجهاز تفاعلات كيميائية ينتج عنها هيدروجين وأنواع مختزلة من الكربون، والتي يمكن استخدامها لإنتاج وقود نظيف كبديل لمصادر الوقود الحفري.

يقول غاري مور: “في هذا العمل بالذات، قمنا بتطوير أنظمة تدمج تقنيات التقاط وتحويل الضوء مع استراتيجيات تخزين الطاقة المعتمدة على المواد الكيميائية”، فبدلًا من توليد الكهرباء مباشرة من أشعة الشمس، يستخدم هذا الجيل الجديد من التكنولوجيا الطاقة الشمسية لتوليد تفاعلات كيميائية قادرة على إنتاج وقود يختزن طاقة الشمس في روابطه الكيميائية.

شئ جديد تحت أشعة الشمس

أحد المصادر الأكثر جاذبية لإنتاج طاقة مستمرة ونظيفة هو ضوء الشمس. في الواقع، اكتسبت تقنيات الطاقة الشمسية زخمًا كبيرًا في السنوات الأخيرة.

تقوم الخلايا الشمسية بجمع أشعة الشمس وتحويل الطاقة مباشرة إلى كهرباء.  وقد جعلت التكنولوجيا المتطورة والتكاليف المنخفضة من الخلايا الكهروضوئية خيارًا جذابًا كمصدر للطاقة، خاصة في المناطق التي تغمرها الشمس مثل ولاية أريزونا، مع صفائح شمسية كبيرة تغطي مساحات واسعة قادرة على تزويد آلاف المنازل بالطاقة.

 يعتقد مور أن مجرد الحصول على الطاقة الشمسية باستخدام الخلايا الكهروضوئية لا يكفي، حيث لا تتوفر دائمًا العديد من مصادر الطاقة المتجددة مثل أشعة الشمس وطاقة الرياح، لذلك يعد تخزين الطاقة من هذه المصادر جزءًا رئيسيًا من أي تكنولوجيا مستقبلية لتلبية متطلبات الطاقة البشرية العالمية على نطاق واسع.

التوهج الشمسي

إحدى الحيل المثيرة للإعجاب في الطبيعة استخدام أشعة الشمس لإنتاج مواد كيميائية غنية بالطاقة، وهي عملية أُتقنت منذ مليارات السنين من قبل النباتات والكائنات العضوية الأخرى التي تقوم بالتمثيل الضوئي. يعقب مور قائلًا: “في هذه العملية، يتم امتصاص الضوء، وتستخدم الطاقة لبدء سلسلة من التفاعلات الكيميائية الحيوية المعقدة التي تنتج في نهاية المطاف الغذاء الذي نتناوله، وعلى مدى الأزمنة الجيولوجية الطويلة الوقود الذي يدير مجتمعنا الحديث”.

في الدراسة الحالية، قامت المجموعة بتحليل المتغيرات الرئيسية التي تحكم كفاءة التفاعلات الكيميائية المستخدمة لإنتاج الوقود من خلال أجهزة اصطناعية مختلفة. وقال وادزورث: “في هذه الورقة ، قمنا بتطوير نموذج حركي لوصف التفاعل بين امتصاص الضوء على سطح أشباه الموصلات، وانتقال الشحنة داخل أشباه الموصلات، ونقل الشحنة إلى طبقة العامل الحفاز، ثم خطوة الحفز الكيميائي”.

يعتمد النموذج الذي طورته المجموعة على إطار مماثل يحكم سلوك الإنزيم، والمعروف باسم Michaelis-Menten kinetics، والذي يصف العلاقة بين معدلات التفاعل الحفزية والوسط الذي يحدث فيه التفاعل. هنا،  طُبقَ هذا النموذج على جهازهم الذي يجمع بين أشباه الموصلات لتجميع الضوء والمواد الحفزية لتشكيل الوقود.

في نمذجة ديناميات النظام، حققت المجموعة اكتشافًا مفاجئًا. يقول مور: “في هذا النظام بالذات، لا نقتصر على السرعة التي يمكن بها للعامل الحفاز أن يدفع التفاعل الكيميائي، نحن مقيدون بالقدرة على إيصال الإلكترونات له وتنشيطه. وهذا مرتبط بكثافة الضوء الذي يصل إلى السطح. وقد أظهرت تجاربنا أن زيادة شدة الضوء تزيد من معدل تكوين الوقود”

لهذا الاكتشاف آثار على التصميم المستقبلي لهذه الأجهزة مع التركيز على زيادة كفاءتها. يوضح مور: “ببساطة إضافة المزيد من العامل الحفاز لا يؤدي إلى زيادة معدلات إنتاج الوقود. نحن بحاجة إلى النظر في خصائص امتصاص الضوء لأشباه الموصلات الأساسية، الأمر الذي يفرض علينا بدوره المزيد من التفكير في اختيار العامل الحفاز وكيفية تفاعله مع مكون امتصاص الضوء في الجهاز”

بريق من الأمل

لا يزال هناك الكثير من العمل الذي يجب القيام به قبل أن تكون هذه التقنية جاهزة للاستعمال. فاستعمالها على نطاق واسع  سيتطلب رفع كفاءتها واستقرارها. 

هذا البحث الجديد هو مجرد خطوة صغيرة على طريق طويل من أجل مستقبل نعتمد فيه على مصادر الطاقة المتجددة. نتائج هذه الدراسة بالغة الأهمية، لأنها ذات صلة على الأرجح بمجموعة واسعة من التفاعلات الكيميائية التي تشمل مواد ماصة للضوء وعوامل حفازة. يقول مور: “المبادئ الأساسية ، وخاصة العلاقة بين شدة الإضاءة وامتصاص الضوء والحفز ينبغي أن تنطبق على مواد أخرى أيضًا”.

المصدر: Phys.org