القوة الخفية للتربة.. كيف يمكن للبطاريات الجيولوجية أن تساعد في معالجة التحديات البيئية
يبقى الفحم الحيوي في التربة لفترة أطول من المادة العضوية الطبيعية وله مساحة سطح ومسام أكبر من البطاريات الجيولوجية القائمة على المعادن
قام باحثون بمراجعة بنوك الطاقة الطبيعية المعروفة باسم البطاريات الجيولوجية الموجودة في التربة وأنظمة المياه لدينا.
يمكن أن تساعد هذه المواد الطبيعية، التي تعمل مثل البطاريات الصغيرة القابلة لإعادة الشحن، في فهم كيفية تعامل التربة مع التحديات البيئية.
داخل التربة، يمكن للبطاريات الجيولوجية أن تزود محيطها بالطاقة من خلال التخلي عن الإلكترونات، وإعادة شحن نفسها من خلال أخذ الإلكترونات، وتخزين الإلكترونات لاستخدامها لاحقًا.
في مراجعتهم لشهر يوليو 2024 ، استكشف الباحث في الدكتوراه شيهاو كوي وزملاؤه من جامعة آرهوس في الدنمارك، آليات وأهمية البطاريات الجيولوجية، مسلطين الضوء على دورها في نقل الإلكترون داخل دورات التربة البيئية وتطبيقاتها المحتملة في معالجة تغير المناخ، ومعالجة التلوث، والتحديات البيئية الأخرى.
تحدث تفاعلات “الأكسدة والاختزال” هذه أيضًا عندما نقوم بشحن الهواتف أو أجهزة الكمبيوتر المحمولة أو بطاريات السيارات.
البطاريات الطبيعية يتم شحنها باستمرار
يعني شحن هذه البطاريات أن نقطة واحدة من البطارية تتأكسد (أي تفقد الإلكترونات) لتشغيل الجهاز.
ثم تصل الإلكترونات إلى النقطة الثانية من البطارية، والتي يتم تقليصها (تكتسب الإلكترونات).
يعكس شحن البطاريات هذه العملية، ويعيد الإلكترونات إلى نقطة بدايتها.
على عكس البطاريات الموجودة في هواتفنا، فإن هذه البطاريات الطبيعية يتم شحنها باستمرار بفضل الظروف البيئية المتغيرة باستمرار، مثل تقلبات منسوب المياه الجوفية.
تحتوي البطاريات الجيولوجية على مجموعات كيميائية خاصة يمكنها التقاط الإلكترونات وإطلاقها عند الحاجة.
تتيح لها هذه القدرة سد الفجوة بين الأجزاء المختلفة من النظام البيئي للتربة، مما يساعد في نقل الطاقة إلى حيث تكون هناك حاجة إليها أكثر.
أنواع من البطاريات الجيولوجية
حدد فريق البحث عدة أنواع من البطاريات الجيولوجية، النوع الأول هو المادة العضوية الطبيعية – الأوراق المتحللة والمواد النباتية المتراكمة فوق التربة، على سبيل المثال في أراضي الخث.
والنوع الثاني هو الكربون المسبب للحمى، وهي مواد تشبه الفحم تتشكل بسبب التفحيم أو حرق المواد العضوية حتى ولو بشكل طفيف أو جزئي بعد حرائق الغابات، على سبيل المثال الفحم الحيوي أو السخام أو رماد الخشب.
نوع آخر من البطاريات الجيولوجية هو المراحل المعدنية المختلطة – المعادن الموجودة في التربة، على سبيل المثال الحديد والمنجنيز.
ومن المثير للاهتمام أن فريق الدراسة سلط الضوء أيضًا على أنه حتى الجزيئات البلاستيكية الصغيرة – المعروفة باسم البلاستيك الدقيق – يمكن أن تعمل كبطاريات جغرافية.
فوائد
يمكن لهذه المحطات الصغيرة القوية، أن تعزز الهضم اللاهوائي، وهي عملية تحلل النفايات لإنتاج الطاقة.
كما أنها تساعد في تنظيف الملوثات من خلال تسريع تحلل المواد الضارة مثل المبيدات الحشرية في التربة والمياه.
وربما يكون الأمر الأكثر إثارة للاهتمام هو أن البطاريات الجيولوجية قد تلعب دورًا في مكافحة تغير المناخ، يمكنها التأثير على كيفية تحرك الكربون عبر التربة، مما قد يؤدي إلى حبس المزيد منه تحت الأرض.
قد تساعد بعض البطاريات الجيولوجية حتى في تقليل انبعاثات الميثان، وهو غاز دفيئة قوي.
تتأثر البطاريات الجيولوجية بشكل كبير بتقلبات منسوب المياه، وفهم استجاباتها لهذه التغييرات يمكن أن يساعدنا في التنبؤ بشكل أفضل بكيفية تفاعل النظم البيئية مع الفيضانات والجفاف وغيرها من الأحداث الهيدرولوجية، وبالتالي تحسين قدرتنا على التنبؤ بالتغيرات البيئية بعد مثل هذه الاضطرابات.
وقال كوي، “من خلال فهم كيفية عمل البطاريات الجيولوجية في ظل ظروف المياه المتقلبة، يمكننا تطوير استراتيجيات مستهدفة لتقليل انبعاثات الميثان من أراضي الخث المعاد ترطيبها، حيث يمكن أن يؤدي ارتفاع مستويات الميثان بعد إعادة الترطيب إلى تقويض الفوائد المناخية للترميم”.
اكتشاف البطاريات الجيولوجية قد يكون له تطبيقات محتملة بعيدة المدى، وأوضح كوي أن “فهم قدرات نقل الإلكترونات في البطاريات الجيولوجية سيساعد في تنظيم العمليات مثل إعادة تدوير العناصر الغذائية، وتحلل الملوثات، وتقليل انبعاثات الغازات المسببة للاحتباس الحراري مثل الميثان” .
العمل الميداني
تعمل بعض المواد الموجودة في التربة بشكل أفضل كبطاريات جيولوجية مقارنة بغيرها، على سبيل المثال، يمكن أن يبقى الفحم الحيوي في التربة لفترة أطول من المادة العضوية الطبيعية ويكون له مساحة سطح ومسام أكبر من البطاريات الجيولوجية القائمة على المعادن، يمكن للمزارعين إضافة الفحم الحيوي إلى التربة لتعزيز خصوبة التربة، واحتجاز المزيد من المياه ومنع التآكل.
ولكن التحدي الرئيسي يتمثل في تعقيد البيئات الطبيعية، الأمر الذي يجعل من الصعب قياس عمليات نقل الإلكترونات بدقة، ولذلك، يقوم الباحثون بأعمال ميدانية لمراقبة مستويات المياه في أراضي الخث أو مناطق إعادة الترطيب.
وقال كوي: “تعمل هذه الدراسات الميدانية على سد الفجوة بين التجارب المعملية الخاضعة للرقابة والظروف المتغيرة غير المتوقعة الموجودة في الطبيعة، مما يساعدنا على فهم كيفية مساهمة البطاريات الجيولوجية في تنظيم الغازات المسببة للاحتباس الحراري” .
يمكن لهذه الدراسات الميدانية أن توضح بشكل أفضل كيفية إعادة تدوير العناصر وكيفية انبعاث الغازات المسببة للانحباس الحراري العالمي.
تشكل دراسات البحث الميدانية في الأراضي الرطبة جزءًا من مشروع WET HORIZONS الممول من الاتحاد الأوروبي، والذي يعمل على تطوير أدوات لتعزيز حماية واستعادة الأراضي الرطبة في أوروبا.
وقال كوي: “إن فهم البطاريات الجيولوجية يساعدنا على اكتساب رؤى أعمق في أنظمة الأراضي الرطبة واكتشاف طرق جديدة لمكافحة تغير المناخ”.
