توصل باحثون إلى طريقة مبتكرة لإنتاج الهيدروجين بالطاقة الشمسية، في محاولة لمواكبة تحول قطاع النقل إلى الطاقة النظيفة مع حظر سيارات البنزين والديزل الجديدة في الاتحاد الأوروبي في غضون 10 سنوات.
ووفق الدراسة التي اطّلعت عليها منصة الطاقة المتخصصة (مقرّها واشنطن)، يعمل باحثو جامعة لينشوبينغ السويدية (Linköping University) على تطوير مواد يمكن استعمالها لإنتاج الهيدروجين من الماء، عبر طاقة ضوء الشمس.
ورأى الباحثون أن الهيدروجين يبرز بوصفه خيارًا رئيسًا، لا سيما في التطبيقات التي تفتقر إلى البطاريات.
وبينما تُقدم المحركات الكهربائية أداءً جيدًا في سيارات الركاب، إلا أن كثافة طاقتها وحدود إعادة شحنها تجعلانها غير عملية للمركبات الثقيلة والشاحنات الطويلة المدى والسفن والطائرات.
ثورة في قطاع النقل الثقيل
يوضح الأستاذ المشارك في جامعة لينشوبينغ السويدية، جيانوو صن، أنه يُمكن لسيارات الركاب أن تحتوي على بطارية، لكن الشاحنات الثقيلة أو السفن أو الطائرات لا يمكنها استعمال بطارية لتخزين الكهرباء.
وأضاف: "بالنسبة إلى وسائل النقل هذه، نحتاج إلى إيجاد مصادر طاقة نظيفة ومتجددة، والهيدروجين خيار جيد".
ويعمل "صن" وفريقه على تطوير مواد يُمكنها إنتاج الهيدروجين من الماء باستعمال ضوء الشمس وحده؛ إذ يُمكن لهذا النوع من الهيدروجين "الأخضر" أن يُغذّي قطاعات النقل دون الحاجة إلى أنظمة بطاريات قابلة للتطبيق.
كان الفريق البحثي قد أظهر -سابقًا- أن مادة تُسمى كربيد السيليكون المكعب (3C-SiC) تتميز بخصائص مفيدة لتسهيل تفاعل انقسام الماء إلى هيدروجين وأكسجين.
وتستطيع هذه المادة التقاط ضوء الشمس بفاعلية، ما يسمح باستهلاك الطاقة الكامنة فيه لإنتاج الهيدروجين من خلال تفاعل انقسام الماء الضوئي، بحسب ما جاء في البيان الذي نشرته جامعة لينشوبينغ.
إنتاج الهيدروجين بالطاقة الشمسية
في دراستهم الحالية التي نُشرت في مجلة الجمعية الكيميائية الأميركية (American Chemical Society)، طوّر الباحثون مادة مركبة جديدة تُحسّن بصورة كبيرة إنتاج الهيدروجين بالطاقة الشمسية.
وبنى الباحثون بنية طبقية تجمع بين كربيد السيليكون المكعب، وأكسيد الكوبالت، وطبقة مادة محفزة من هيدروكسيد النيكل تساعد على انقسام الماء.
وصرّح "صن" بأن الهدف هو تحليل كيفية مساهمة كل طبقة؛ قائلًا: "إنها بنية معقدة للغاية، لذلك ركزنا في هذه الدراسة على فهم وظيفة كل طبقة وكيف تساعد في تحسين خصائص المادة".
عند تعرّضها لأشعة الشمس، تُولّد المادة شحنات كهربائية تُقسّم الماء إلى هيدروجين وأكسجين.
وتتمثّل إحدى العقبات الرئيسة في مثل هذه الأنظمة في إعادة تركيب الشحنات؛ إذ تُلغى الشحنات الموجبة والسالبة قبل بدء التفاعل.
من خلال دمج الطبقات الـ3، تُحقق المادة فصلًا أفضل للشحنات؛ وقد أفاد الفريق بتحسّن في الأداء بمقدار 8 أضعاف مقارنةً باستعمال كربيد السيليكون المكعب وحده.
اقتصاد الهيدروجين الحالي
حاليًا، يُصنّع معظم الهيدروجين المتوفر في السوق من الهيدروجين "الرمادي"، باستعمال الوقود الأحفوري.
ويُمكن أن يُصدر طن متري واحد من الهيدروجين الرمادي ما يصل إلى 10 أطنان من ثاني أكسيد الكربون؛ وتُقوّض هذه العملية دوره بوصفه وقودًا نظيفًا، بحسب ما جاء في الدراسة التي اطّلعت عليها منصة الطاقة.
وعلى النقيض من ذلك، يستعمل الهيدروجين "الأخضر" الكهرباء المتجددة لفصل الماء؛ إلا أن هذه الطريقة تعتمد غالبًا على مصادر طاقة تتجاوز أشعة الشمس المباشرة، يهدف "صن" وفريقه إلى تقليل هذا الاعتماد.
وتتمثّل رؤية الفريق البحثي في استعمال الطاقة الشمسية فقط لتشغيل التفاعل، ومن شأن هذا النهج أن يُخفّض التكاليف ويلغي انبعاثات الكربون من العملية.
على الرغم من أن هذه التقنية واعدة، فإنها ليست جاهزة تجاريًا بعد؛ فمعظم المواد الحالية لفصل الماء بالطاقة الشمسية تعمل بكفاءة تتراوح بين 1% و3% فقط.
ولكي يُطبّق الهيدروجين "الأخضر" على نطاق واسع، يجب أن تصل المواد إلى كفاءة لا تقل عن 10%، وهو ما يعتقد "صن" أنه يُمكن تحقيقه، إذ قال: "قد يستغرق فريق البحث نحو 5 إلى 10 سنوات لتطوير مواد تصل إلى حد الـ10% المنشود".
وسيُمثّل الوصول إلى هذا المعيار نقطة تحول في اقتصاد الهيدروجين؛ إذ سيُتيح ذلك إنتاج هيدروجين منخفض التكلفة، وخالٍ من الكربون على نطاق واسع بما يكفي لدعم الاستهلاك الصناعي والنقل.
في حال نجاحها، قد تُصبح المادة الطبقية التي طوّرها فريق "صن" حجر الأساس في البنية التحتية للوقود النظيف لعقود مقبلة، بحسب ما أكدته منصة "إنترستينغ إنجينيرينغ" (Interesting Engineering).
موضوعات متعلقة..
اقرأ أيضًا..
المصدر:
