يُعدّ الهيدروجين أحد أنظف أنواع الوقود المستقبلية، إذ لا ينتج عن استخدامه سوى الماء. غير أن إنتاج الهيدروجين بكفاءة واستدامة لا يزال يمثل تحديًا كبيرًا.
فمعظم التقنيات الحالية تهدر جزءًا كبيرًا من الطاقة الشمسية في صورة حرارة، ما يحدّ من كفاءة تحويل الطاقة الإجمالية.
ولمعالجة هذه المشكلة، طوّر باحثون من جامعة تايوان الوطنية وجامعة تسينج هوا الوطنية جهازًا جديدًا قادرًا على التقاط كلٍّ من ضوء الشمس والحرارة المهدرة لإنتاج وقود الهيدروجين بكفاءة أعلى.
ويجمع النظام بين مواد نانوية متقدمة، وهندسة الموائع الدقيقة (الميكروفلويديك)، وتقنية توليد الكهرباء الحرارية في منصة مدمجة ومتكاملة.
وقد نُشرت نتائج الدراسة في دورية Advanced Energy Materials .
يقع في قلب الجهاز محفّز مصمم خصيصًا يتكون من مادتين: كربيد التيتانيوم (Ti₃C₂)، وهو مادة نانوية ثنائية الأبعاد عالية التوصيل الكهربائي، وكبريتيد الكادميوم (CdS) الذي يتميز بقدرة فعالة على امتصاص ضوء الشمس.
ويعمل هذان المكوّنان معًا على تحسين فصل الشحنات الكهربائية الناتجة عن الإضاءة الشمسية وحركتها، ما يسمح بزيادة كفاءة إنتاج الهيدروجين.
كما دمج الباحثون مفاعلًا دقيق القنوات (ميكروفلويدي) يعزز التفاعل بين الضوء والماء والمحفّز، ما يؤدي إلى تحسين الأداء بشكل إضافي.
ومن الجوانب المهمة في هذا الابتكار قدرته على التقاط الحرارة المهدرة المتولدة أثناء التعرض لأشعة الشمس.
فبدلًا من تبديد هذه الحرارة، يُستخدم مولد حراري كهربائي لتحويلها إلى طاقة كهربائية إضافية تُسهم في دفع عملية إنتاج الهيدروجين.
ويسهم هذا النهج المزدوج في رفع كفاءة استخدام الطاقة وزيادة إنتاجية الهيدروجين بشكل ملحوظ.
وقد حقق النظام كفاءة تحويل من الطاقة الشمسية إلى الهيدروجين بلغت 28%، ما يبرز إمكاناته كتقنية عالية الأداء في مجال الطاقة النظيفة.
إضافة إلى إنتاج الهيدروجين، يستطيع الجهاز في الوقت نفسه تنقية المياه الملوثة عبر تفكيك المواد الكيميائية الضارة، ما يوفر فائدة مزدوجة في مجالي الطاقة والبيئة.
ونظرًا إلى أن النظام مدمج وقابل للتوسع ويعمل ذاتيًا، فإنه قد يُستخدم في المناطق اللامركزية التي تحتاج بشدة إلى حلول للطاقة النظيفة ومعالجة المياه.
ويمثل هذا العمل خطوة مهمة نحو إنتاج أكثر كفاءة للوقود الشمسي وتطوير تقنيات بيئية مستدامة.
ومن خلال دمج المواد النانوية وتصميم المفاعلات الدقيقة وتقنيات حصاد الطاقة الحرارية، قدم الباحثون استراتيجية جديدة لتعظيم الاستفادة من الطاقة الشمسية.
وقال تسونج-هونج لين، الأستاذ في الهندسة الطبية الحيوية بجامعة تايوان الوطنية والمؤلف المشارك المراسل للدراسة: «تتيح لنا هذه التقنية استخدام كلٍّ من ضوء الشمس والحرارة المهدرة لإنتاج هيدروجين نظيف بكفاءة، ويوفر نهجنا مسارًا واعدًا نحو إنتاج طاقة مستدامة وحماية البيئة».
