مع استمرار تحول الهيدروجين إلى بديل مرغوب فيه للوقود الأحفوري، يمكن أن يوفر النوع الجديد من الألواح الشمسية وسيلة نظيفة ورخيصة وفعالة لإنتاجه، وهذه التقنية تمكن من خفض كلفة الهيدروجين المستدام عن طريق تقليل استخدام أشباه الموصلات التي عادة ما تكون الجزء الأغلى في أجهزة الألواح الشمسية.
ميشيغان (الولايات المتحدة) - نجح علماء من جامعة ميشيغان في تطوير نوع جديد من الألواح الشمسية يتمتع بكفاءة نسبتها 9 في المئة في تقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين.
ويحاكي النوع بذلك خطوة حاسمة في عملية التمثيل الضوئي الطبيعي، فمن خلال حصاد الأشعة تحت الحمراء، تمكن الباحثون من تسريع عملية تقسيم المياه بالطاقة الشمسية وزيادة كمية الهيدروجين التي تمكنوا من حصادها.
ويوفر إنتاج وقود الهيدروجين من ضوء الشمس والماء (أكثر الموارد الطبيعية وفرة على الأرض) أحد أكثر المسارات الواعدة لتحييد الكربون. ويمكن إنتاج الهيدروجين النظيف مباشرة من ضوء الشمس والماء عن طريق فصل الماء بالتحفيز الضوئي.
ووفقا للدراسة التي نشرت هذا الشهر في دورية “نيتشر”، حقق هذا الاختراق العلمي قفزة كبيرة في التكنولوجيا، فهو أكثر كفاءة بما يقرب من 10 مرات من تجارب فصل المياه بالطاقة الشمسية.
أجهزة التمثيل الضوئي الاصطناعي ستكون أكثر كفاءة من التمثيل الضوئي الطبيعي بما سيوفر طريقا نحو حيادية الكربون
لكن الفائدة الأكبر تكمن في خفض كلفة إنتاج الهيدروجين المستدام. ويصبح ذلك ممكنا عبر تقليص أشباه الموصلات المعتمدة، وهي عادة ما تكون الجزء الأغلى من الجهاز. وتقاوم أشباه الموصلات الجديدة ضوءا مركّزا يعادل 160 شمسا.
وينتج المصنّعون اليوم أساسا الهيدروجين من ميثان الوقود الأحفوري باستخدام نسبة كبيرة من الطاقة الأحفورية في هذه العملية.
وتُلتقط ذرات الهيدروجين من الماء باستخدام ضوء الشمس. وفي محاولة البشرية لتقليل انبعاثات الكربون، يصبح الهيدروجين جذابا بصفته وقودا قائما بذاته ومكونا في الوقود المستدام المصنوع من ثاني أكسيد الكربون المعاد تدويره. كما أنه ضروري في العديد من العمليات الكيميائية، مثل إنتاج الأسمدة.
وقاد الدراسة زيتيان مي أستاذ الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في جامعة ميشيغان، كما ورد في دورية نيتشر العلمية.
وقال مي “نعتقد في النهاية أن أجهزة التمثيل الضوئي الاصطناعي ستكون أكثر كفاءة من التمثيل الضوئي الطبيعي، بما سيوفر طريقا نحو حيادية الكربون”.
وتحققت النتيجة المبهرة من تقدّمين علميين. كان الأول القدرة على تركيز ضوء الشمس دون تدمير أشباه الموصلات التي تعتمد الضوء.
وقال بينغ زهو وهو زميل أبحاث في الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في جامعة ميشيغان والمؤلف الأول للدراسة “قللنا حجم أشباه الموصلات بأكثر من 100 مرة مقارنة ببعض الأنواع التي لا تعمل سوى عند الإضاءة المنخفضة. قد يكون الهيدروجين الذي تنتجه تقنيتنا رخيصا جدا”.
مسارات واعدة لتحييد الكربون
وكان التقدم الثاني استخدام كل من جزء الطاقة الأعلى من الطيف الشمسي لتقسيم المياه والجزء السفلي منه لتوفير الحرارة التي تشجع التفاعل. ويمكن ذلك من خلال محفز أشباه الموصلات الذي يحسن نفسه مع الاستخدام، ويقاوم التدهور الذي تتعرض له هذه الأجزاء عادة عند اعتماد ضوء الشمس لتنشيط التفاعلات الكيميائية. ويمكن أن تتفوق التقنية في درجات الحرارة المرتفعة التي تضر بأشباه الموصلات.
وتعمل درجات الحرارة المرتفعة على تسريع عملية تقسيم الماء وتشجع الحرارة على بقاء الهيدروجين والأكسجين منفصلين بدلا من تجديد روابطهما وتشكيل الماء مرة أخرى. وساعدت هذه الميزات الفريق على حصاد المزيد من الهيدروجين.
وأعدّ زهو في التجربة عدسة بحجم نافذة المنزل لتركيز ضوء الشمس على لوحة تجريبية لا يتجاوز عرضها بضع بوصات. ولاحظ داخل تلك اللوحة، التي تغطت أشباه الموصلات فيها بطبقة من الماء، فقاعات من غازي الهيدروجين والأكسجين التي انفصلت عن بعضها البعض.
وكان المحفز المعتمد مصنوعا من هياكل نانوية من نيتريد الغاليوم.وتلتقط رقاقة أشباه الموصلات الضوء وتحوله إلى إلكترونات وفجوات موجبة الشحنات كانت نتيجة تحرر الضوء من الإلكترونات.
وتتخلل الهياكل النانوية كرات معدنية نانوية قطرها 1/2000 جزء من المليمتر، وتعتمد تلك الإلكترونات والثقوب للمساعدة في توجيه التفاعل.
وتحافظ طبقة عازلة بسيطة فوق اللوحة على حرارة 75 درجة مئوية، أي أنها دافئة بما يكفي للمساعدة في تشجيع التفاعل وباردة بدرجة كافية لأداء فعال لمحفز أشباه الموصلات.
فزة كبيرة
وحققت النسخة الخارجية من التجربة، مع تحكم أقل في ضوء الشمس ودرجة الحرارة، كفاءة بنسبة 6.1 في المئة في تحويل الطاقة من الشمس إلى وقود هيدروجين. وحقق النظام كفاءة بنسبة 9 في المئة على سبيل المقارنة.
وتكمن التحديات القادمة التي يريد الفريق معالجتها في زيادة تحسين الكفاءة وبلوغ الهيدروجين عالي النقاء الذي يمكن اعتماده في خلايا الوقود مباشرة.
وتقرر ترخيص بعض حقوق الملكية الفكرية المتعلقة بهذا العمل لشركة “إن.إس نانوتك” و”إن.إكس فيولز” اللتان اشترك قائد الدراسة زيتيان مي في تأسيسهما. ولجامعة ميشيغان مصلحة مالية في الشركتين مثله.
وتعتبر هذه القفزة كبيرة جدا. وقد تكون الكفاءة بنسبة 9 في المئة رقما قياسيا جديدا. وننتظر إلى أن نرى مسألة التكاليف. فقد يحتاج المرء إلى عدسة ذات حجم كبير، ومن المحتمل أن يتطلب النظام توجيه العدسة وبيئة محكومة داخلية.
ومهما كان الجانب المالي، سيوفّر هذا الاختراق وسيلة فائقة لتكوين سماد النيتروجين ومساهمة كبيرة في الاقتصاد العالمي. ومن شأن هذا أن يقلل من كلفة محاولة تخزين الهيدروجين ويساهم في تبسيط التبني السريع.
