جهاز يعمل بالطاقة الشمسية ينتج مياه نظيفة ووقود نظيف في نفس الوقت

طوّر باحثون جهازًا عائمًا يعمل بالطاقة الشمسية يمكنه تحويل المياه الملوثة أو مياه البحر إلى وقود هيدروجيني نظيف ومياه نقية، في أي مكان في العالم.

يمكن أن يكون الجهاز، الذي طوره باحثون في جامعة كامبريدج، مفيدًا في البيئات المحدودة الموارد أو خارج الشبكة، لأنه يعمل مع أي مصدر للمياه المفتوحة ولا يتطلب أي طاقة خارجية.

وهو مستوحى من عملية التمثيل الضوئي، وهي العملية التي تقوم النباتات من خلالها بتحويل ضوء الشمس إلى طعام، ومع ذلك، وعلى عكس الإصدارات السابقة من “الورقة الاصطناعية”، التي يمكن أن تنتج وقود الهيدروجين الأخضر من مصادر المياه النظيفة، فإن هذا الجهاز الجديد يعمل من مصادر ملوثة أو مياه البحر ويمكن أن ينتج مياه شرب نظيفة في نفس الوقت.

وأظهرت اختبارات الجهاز أنه قادر على إنتاج مياه نظيفة من المياه شديدة التلوث، ومياه البحر، وحتى من نهر كام في وسط كامبريدج.

تم نشر النتائج في مجلة Nature Water .

وقال الدكتور تشانون بورنونجروج من قسم الكيمياء في جامعة كامبريدج، يوسف حميد، المؤلف الرئيسي المشارك للدراسة: “إن الجمع بين إنتاج الوقود الشمسي وتنقية المياه في جهاز واحد أمر صعب”، “إن تقسيم الماء بواسطة الطاقة الشمسية، حيث يتم تقسيم جزيئات الماء إلى هيدروجين وأكسجين، يجب أن يبدأ بماء نقي تمامًا لأن أي ملوثات يمكن أن تسمم المحفز أو تسبب تفاعلات جانبية كيميائية غير مرغوب فيها.”

وقال المؤلف الرئيسي المشارك أريفين محمد أنور: “في المناطق النائية أو النامية، حيث تكون المياه النظيفة نادرة نسبياً والبنية التحتية اللازمة لتنقية المياه ليست متاحة بسهولة، يكون تقسيم المياه صعباً للغاية”.

“الجهاز الذي يمكن أن يعمل باستخدام المياه الملوثة يمكن أن يحل مشكلتين في وقت واحد: يمكنه تقسيم المياه لإنتاج وقود نظيف، ويمكنه إنتاج مياه شرب نظيفة.”

توصل كل من Pornrungroj وMohamad Annuar، وكلاهما عضو في مجموعة أبحاث البروفيسور إروين رايزنر، إلى تصميم يحقق ذلك تمامًا، قاموا بإيداع محفز ضوئي على شبكة كربونية ذات بنية نانوية، وهي تمتص بشكل جيد الضوء والحرارة، وتولد بخار الماء الذي يستخدمه المحفز الضوئي لإنتاج الهيدروجين.

تعمل شبكة الكربون المسامية، المعالجة لصد الماء، على مساعدة المحفز الضوئي على الطفو وإبقائه بعيدًا عن الماء الموجود بالأسفل، بحيث لا تتداخل الملوثات مع وظيفته، وبالإضافة إلى ذلك، يستخدم الجهاز الجديد المزيد من طاقة الشمس.

وقال محمد أنور: “إن العملية المعتمدة على الضوء لصنع الوقود الشمسي تستخدم فقط جزءًا صغيرًا من الطيف الشمسي، وهناك قدر كبير من الطيف غير مستخدم”.

استخدم الفريق طبقة بيضاء ماصة للأشعة فوق البنفسجية أعلى الجهاز العائم لإنتاج الهيدروجين عن طريق تقسيم الماء، وينتقل باقي الضوء الموجود في الطيف الشمسي إلى الجزء السفلي من الجهاز، مما يؤدي إلى تبخير الماء.

قال بورنرونجروج: “بهذه الطريقة، نحن نستفيد بشكل أفضل من الضوء، حيث نحصل على البخار لإنتاج الهيدروجين، والباقي عبارة عن بخار ماء”، “بهذه الطريقة، نحن نحاكي حقًا ورقة نبات حقيقية، حيث أصبحنا الآن قادرين على دمج عملية النتح.”

إن الجهاز الذي يمكنه إنتاج الوقود النظيف والمياه النظيفة في وقت واحد باستخدام الطاقة الشمسية وحدها يمكن أن يساعد في معالجة أزمات الطاقة والمياه التي تواجه أجزاء كثيرة من العالم، على سبيل المثال، فإن تلوث الهواء الداخلي الناجم عن الطهي باستخدام أنواع الوقود “القذرة”، مثل الكيروسين، مسؤول عن أكثر من ثلاثة ملايين حالة وفاة سنويا، وفقا لمنظمة الصحة العالمية، بدلاً من ذلك، يمكن أن يساعد الطهي باستخدام الهيدروجين الأخضر في تقليل هذا العدد بشكل كبير، ولا يزال 1.8 مليار شخص في جميع أنحاء العالم يفتقرون إلى مياه الشرب المأمونة في المنزل.

تصميم بسيط

وقال محمد أنور: “إنه تصميم بسيط أيضًا: في بضع خطوات فقط، يمكننا بناء جهاز يعمل بشكل جيد على المياه من مجموعة واسعة من المصادر”.

وقال بورنرونجروج: “إنها تتحمل الملوثات بشكل كبير، والتصميم العائم يسمح للركيزة بالعمل في المياه الغائمة أو الموحلة للغاية”، “إنه نظام متعدد الاستخدامات للغاية.”

وقال ريزنر، الذي قاد البحث: “لا يزال جهازنا دليلاً على المبدأ، ولكن هذه هي أنواع الحلول التي سنحتاجها إذا أردنا تطوير اقتصاد دائري حقيقي ومستقبل مستدام”، “إن أزمة المناخ والقضايا المتعلقة بالتلوث والصحة ترتبط ارتباطًا وثيقًا، وتطوير نهج يمكن أن يساعد في معالجة كليهما سيكون بمثابة تغيير في قواعد اللعبة بالنسبة لكثير من الناس.”