طريقة جديدة لإنتاج الهيدروجين باستخدام معلبات المياه الغازية المستخدمة ومياه البحر والكافيين

إن مصدراً مستداماً للطاقة النظيفة قد يكمن في علب المياه الغازية القديمة ومياه البحر، فقد وجد مهندسو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أن الألمنيوم الموجود في علب الصودا عندما يتعرض لصورته النقية ويختلط بمياه البحر، يتصاعد المحلول وينتج الهيدروجين بشكل طبيعي ـ وهو الغاز الذي يمكن استخدامه لاحقاً لتشغيل محرك أو خلية وقود دون توليد انبعاثات كربونية. والأمر الأكثر من ذلك أن هذا التفاعل البسيط يمكن تسريعه بإضافة مادة منبهة شائعة: الكافيين.

في دراسة نشرت اليوم في مجلة Cell Reports Physical Science، أظهر الباحثون أنه يمكنهم إنتاج غاز الهيدروجين عن طريق إسقاط حبيبات ألومنيوم بحجم الحصى بعد معالجتها مسبقًا في كوب من مياه البحر المفلترة.

تتم معالجة الألومنيوم مسبقًا باستخدام سبيكة معدنية نادرة تعمل على فرك الألومنيوم بفعالية وتحويله إلى شكل نقي يمكنه التفاعل مع مياه البحر لتوليد الهيدروجين. يمكن لأيونات الملح الموجودة في مياه البحر بدورها جذب السبائك واستعادتها، والتي يمكن إعادة استخدامها لتوليد المزيد من الهيدروجين في دورة مستدامة.

وجد الفريق أن هذا التفاعل بين الألومنيوم ومياه البحر ينتج غاز الهيدروجين بنجاح، وإن كان ببطء. وعلى سبيل المزاح، قاموا بإلقاء بعض بقايا القهوة في الخليط ووجدوا، لدهشتهم، أن التفاعل تسارع.

تطوير مفاعل صغير يمكن تشغيله على متن سفينة بحرية أو مركبة تحت الماء

وفي النهاية، اكتشف الفريق أن تركيزًا منخفضًا من الإيميدازول – وهو المكون النشط في الكافيين – يكفي لتسريع التفاعل بشكل كبير، وإنتاج نفس الكمية من الهيدروجين في خمس دقائق فقط، مقارنة بساعتين بدون المنشط المضاف.

ويعمل الباحثون على تطوير مفاعل صغير يمكن تشغيله على متن سفينة بحرية أو مركبة تحت الماء، وسوف تحمل السفينة إمداداً من حبيبات الألمنيوم (المعاد تدويرها من علب الصودا القديمة ومنتجات الألمنيوم الأخرى)، إلى جانب كمية صغيرة من الغاليوم والإنديوم والكافيين.

ويمكن توجيه هذه المكونات بشكل دوري إلى المفاعل، إلى جانب بعض مياه البحر المحيطة، لإنتاج الهيدروجين عند الطلب.

ومن الممكن بعد ذلك أن يستخدم الهيدروجين كوقود لمحرك على متن السفينة لتشغيل محرك آخر أو توليد الكهرباء لتشغيل السفينة.

يقول علي كومبارجي، المؤلف الرئيسي للدراسة، وهو طالب دكتوراه في قسم الهندسة الميكانيكية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: “هذا مثير للاهتمام للغاية للتطبيقات البحرية مثل القوارب أو المركبات تحت الماء لأنك لن تضطر إلى حمل مياه البحر معك – فهي متوفرة بسهولة”.

“كما أننا لا نحتاج إلى حمل خزان من الهيدروجين. وبدلاً من ذلك، فإننا ننقل الألومنيوم باعتباره “الوقود”، ونضيف الماء فقط لإنتاج الهيدروجين الذي نحتاج إليه.”

ومن بين مؤلفي الدراسة المشاركين إينوك إليس، وهو طالب جامعي في الهندسة الكيميائية؛ وبيتر جودارت الحاصل على درجة الدكتوراه في عام 2021، والذي أسس شركة لإعادة تدوير الألومنيوم كمصدر لوقود الهيدروجين؛ ودوجلاس هارت، أستاذ الهندسة الميكانيكية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

الدروع للأعلى

ويعمل فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، بقيادة هارت، على تطوير أساليب فعالة ومستدامة لإنتاج غاز الهيدروجين، الذي يُنظر إليه باعتباره مصدرًا للطاقة “الأخضر” الذي يمكنه تشغيل المحركات وخلايا الوقود دون توليد انبعاثات تساهم في الاحتباس الحراري.

من بين عيوب تزويد المركبات بالوقود بالهيدروجين أن بعض التصاميم تتطلب نقل الغاز على متن المركبات مثل البنزين التقليدي في خزان ـ وهو وضع محفوف بالمخاطر، نظراً لإمكانية تطاير الهيدروجين، وبدلاً من ذلك، بحث هارت وفريقه عن طرق لتشغيل المركبات بالهيدروجين دون الحاجة إلى نقل الغاز نفسه باستمرار.

وقد وجدوا حلاً محتملاً في الألومنيوم – وهي مادة طبيعية وفيرة ومستقرة، وعندما تتلامس مع الماء، تخضع لتفاعل كيميائي مباشر ينتج عنه الهيدروجين والحرارة.

ولكن التفاعل يأتي مع نوع من المأزق: فبينما يمكن للألمنيوم أن يولد الهيدروجين عندما يختلط بالماء، فإنه لا يستطيع أن يفعل ذلك إلا في حالة نقية مكشوفة. ففي اللحظة التي يلتقي فيها الألمنيوم بالأكسجين، كما هو الحال في الهواء، يشكل السطح على الفور طبقة رقيقة تشبه الدرع من الأكسيد تمنع حدوث المزيد من التفاعلات، وهذا الحاجز هو السبب في أن الهيدروجين لا يغلي على الفور عندما تسقط علبة صودا في الماء.

في عمل سابق، باستخدام المياه العذبة، وجد الفريق أنه يمكنهم اختراق درع الألومنيوم والحفاظ على استمرار التفاعل مع الماء عن طريق المعالجة المسبقة للألومنيوم بكمية صغيرة من سبيكة معدنية نادرة مصنوعة من تركيز محدد من الغاليوم والإنديوم.

تعمل السبائك كـ “منشط”، حيث تزيل أي تراكم للأكسيد وتخلق سطحًا نقيًا من الألومنيوم حرًا في التفاعل مع الماء.

وعندما أجروا التفاعل في ماء عذب منزوع الأيونات، وجدوا أن حبيبة واحدة من الألومنيوم المعالجة مسبقًا أنتجت 400 مليلتر من الهيدروجين في خمس دقائق فقط، ويقدرون أن جرامًا واحدًا فقط من الحبيبات من شأنه أن يولد 1.3 لترًا من الهيدروجين في نفس الفترة الزمنية.

ولكن توسيع نطاق النظام بشكل أكبر سوف يتطلب إمدادات كبيرة من عنصر الإنديوم الغاليوم، وهو عنصر مكلف ونادر نسبيا.

ويقول كومبارجي: “لكي تكون هذه الفكرة فعالة من حيث التكلفة ومستدامة، كان علينا العمل على استعادة هذا السبائك بعد التفاعل”.

عن طريق البحر

وفي العمل الجديد الذي قام به الفريق، وجدوا أنه يمكنهم استعادة وإعادة استخدام معدن الإنديوم والغاليوم باستخدام محلول من الأيونات.

وتعمل الأيوناتـ الذرات أو الجزيئات ذات الشحنة الكهربائية ـ على حماية سبيكة المعدن من التفاعل مع الماء وتساعدها على الترسيب في شكل يمكن استخراجه وإعادة استخدامه.

يقول كومبارجي، الذي اختبر الفكرة باستخدام مياه البحر من شاطئ قريب: “من حسن حظنا أن مياه البحر عبارة عن محلول أيوني رخيص للغاية ومتوفر. لقد ذهبت حرفيًا إلى شاطئ ريفير مع صديق وأخذنا زجاجاتنا وملأناها، ثم قمت بتصفية الطحالب والرمل، وأضفت إليها الألومنيوم، ونجحت في تحقيق نفس النتائج المتسقة”.

وقد وجد أن الهيدروجين قد تشكل بالفعل عندما أضاف الألومنيوم إلى كأس من مياه البحر المفلترة، وتمكن من استخراج إنديوم الغاليوم بعد ذلك. لكن التفاعل حدث ببطء أكبر بكثير مما حدث في المياه العذبة.

وتبين أن الأيونات في مياه البحر تعمل على حماية إنديوم الغاليوم، بحيث يمكن أن يندمج ويعود بعد التفاعل. لكن الأيونات لها تأثير مماثل على الألومنيوم، حيث تبني حاجزًا يبطئ تفاعله مع الماء.

وبينما كانوا يبحثون عن طرق لتسريع التفاعل في مياه البحر، جرب الباحثون مكونات مختلفة وغير تقليدية.

يقول كومبارجي: “كنا نلعب ببعض الأشياء في المطبخ، ووجدنا أنه عندما أضفنا بقايا القهوة إلى مياه البحر وأسقطنا حبيبات الألومنيوم فيها، كان التفاعل سريعًا جدًا مقارنة بمياه البحر فقط”.

ولمعرفة ما قد يفسر هذا التسارع، تواصل الفريق مع زملاء في قسم الكيمياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، الذين اقترحوا عليهم تجربة الإيميدازول – وهو مكون نشط في الكافيين، والذي يحتوي على بنية جزيئية يمكنها اختراق الألومنيوم (مما يسمح للمادة بمواصلة التفاعل مع الماء)، مع ترك الدرع الأيوني للإنديوم والغاليوم سليمًا.

يقول كومبارجي: “كان هذا انتصارنا الكبير. فقد حصلنا على كل ما كنا نريده: استعادة الغاليوم والإنديوم، بالإضافة إلى التفاعل السريع والفعال”.

يعتقد الباحثون أنهم يمتلكون المكونات الأساسية لتشغيل مفاعل هيدروجين مستدام، وهم يخططون لاختباره أولاً في المركبات البحرية وتحت الماء. وقد حسبوا أن مثل هذا المفاعل، الذي يحمل حوالي 40 رطلاً من حبيبات الألومنيوم، يمكن أن يزود طائرة شراعية صغيرة تحت الماء بالطاقة لمدة 30 يومًا تقريبًا عن طريق ضخ مياه البحر المحيطة وتوليد الهيدروجين لتشغيل محرك.

يقول كومبارجي: “نحن نعرض طريقة جديدة لإنتاج وقود الهيدروجين، دون حمل الهيدروجين، ولكن حمل الألومنيوم كوقود. والجزء التالي هو معرفة كيفية استخدام هذا الوقود للشاحنات والقطارات وربما الطائرات، وربما بدلاً من حمل الماء أيضًا، يمكننا استخراج الماء من الرطوبة المحيطة لإنتاج الهيدروجين، هذا هو المستقبل”.