كان الجهاز الذي يمكنه تجميع المياه من الهواء وتوفير وقود الهيدروجين – الذي يعمل بالكامل بالطاقة الشمسية – حلمًا للباحثين منذ عقود، قام فريق كيميائي بخطوة مهمة نحو تقريب هذه الرؤية من الواقع.
استوحي الفريق الكيميائي والباحثين، الإلهام من الطريقة التي تستطيع بها النباتات تحويل ضوء الشمس إلى طاقة كيميائية باستخدام ثاني أكسيد الكربون من الهواء، يحصد النبات بشكل أساسي ثاني أكسيد الكربون والماء من بيئته، ومع التعزيز الإضافي للطاقة من ضوء الشمس، يمكنه تحويل هذه الجزيئات إلى سكريات ونشويات، وهي عملية تُعرف باسم التمثيل الضوئي، يتم تخزين طاقة ضوء الشمس في شكل روابط كيميائية داخل السكريات والنشويات.
لقد طوروا نظامًا مبتكرًا وبسيطًا يجمع بين التكنولوجيا القائمة على أشباه الموصلات والأقطاب الكهربائية الجديدة التي لها خاصيتان رئيسيتان: فهي مسامية، لتعظيم التلامس مع الماء في الهواء؛ وشفافة، لتعظيم التعرض لأشعة الشمس لطلاء أشباه الموصلات، عندما يتعرض الجهاز ببساطة لأشعة الشمس، فإنه يأخذ الماء من الهواء وينتج غاز الهيدروجين.
تحقيق مجتمع مستدام
تقول سيفولا من مختبر EPFL للهندسة الجزيئية للمواد النانوية الكهروضوئية والباحث الرئيسي في الدراسة، “لتحقيق مجتمع مستدام، نحتاج إلى طرق لتخزين الطاقة المتجددة كمواد كيميائية يمكن استخدامها كوقود ومواد أولية في الصناعة، الطاقة الشمسية هي أكثر أشكال الطاقة المتجددة وفرة، ونحن نسعى جاهدين لتطوير طرق تنافسية اقتصاديًا لإنتاج الطاقة الشمسية”.
نتائج البحث تم نشرها في Advanced Materials، بالتعاون مع Toyota Motor Europe ، حيث أن أقطاب انتشار الغاز الشفافة التي طورتها سيفولا وفريقها، تعمل عند تغطيتها بمادة أشباه الموصلات الخفيفة، مثل ورقة اصطناعية، حيث تجمع المياه من الهواء وضوء الشمس لإنتاج غاز الهيدروجين، يتم تخزين طاقة ضوء الشمس في شكل روابط هيدروجينية.
بدلاً من بناء أقطاب كهربائية بطبقات تقليدية معتمة لأشعة الشمس، فإن ركائزها هي في الواقع شبكة ثلاثية الأبعاد من ألياف زجاجية ملبدة.
تقول مارينا كاريتي، المؤلفة الرئيسية للعمل، “لقد كان تطوير النموذج الأولي للجهاز تحديًا نظرًا لأن الأقطاب الكهربائية الشفافة لنشر الغاز لم يتم عرضها مسبقًا، وكان علينا تطوير إجراءات جديدة لكل خطوة، ونظرًا لأن كل خطوة بسيطة نسبيًا و قابلة للتطوير، أعتقد أن نهجنا سيفتح آفاقًا جديدة لمجموعة واسعة من التطبيقات بدءًا من ركائز انتشار الغاز لإنتاج الهيدروجين الذي يحركه الطاقة الشمسية “.
من الماء السائل إلى الرطوبة في الهواء
سبق أن أظهرت سيفولا ومجموعات بحثية أخرى، أنه من الممكن إجراء عملية التمثيل الضوئي الاصطناعي عن طريق توليد وقود الهيدروجين من الماء السائل وأشعة الشمس باستخدام جهاز يسمى الخلية الكهروكيميائية الكهروضوئية (PEC)، تُعرف خلية PEC عمومًا بالجهاز الذي يستخدم الضوء الساقط لتحفيز مادة حساسة للضوء، مثل أشباه الموصلات ، مغمورة في محلول سائل لإحداث تفاعل كيميائي، لكن لأغراض عملية، هذه العملية لها عيوبها؛ على سبيل المثال، من المعقد صنع أجهزة PEC ذات مساحة كبيرة تستخدم السائل.
أرادت سيفولا إظهار أن تقنية PEC يمكن تكييفها لحصاد الرطوبة من الهواء بدلاً من ذلك ، مما يؤدي إلى تطوير قطب كهربائي جديد لنشر الغاز.
لقد ثبت بالفعل أن الخلايا الكهروكيميائية (على سبيل المثال، خلايا الوقود) تعمل مع الغازات بدلاً من السوائل، لكن أقطاب انتشار الغاز المستخدمة سابقًا غير شفافة وغير متوافقة مع تقنية PEC التي تعمل بالطاقة الشمسية.
الآن، يركز الباحثون جهودهم على تحسين النظام.
ما هو حجم الألياف المثالي؟ حجم المسام المثالي؟ ما هي أشباه الموصلات والمواد الغشائية المثالية؟ هذه هي الأسئلة التي يتم متابعتها في مشروع الاتحاد الأوروبي Sun-to-X ، المخصص لتطوير هذه التكنولوجيا ، وتطوير طرق جديدة لتحويل الهيدروجين إلى وقود سائل.
صنع أقطاب كهربائية شفافة لنشر الغاز
من أجل صنع أقطاب كهربائية شفافة لنشر الغاز، بدأ الباحثون بنوع من الصوف الزجاجي، والذي يتكون أساسًا من ألياف الكوارتز (المعروف أيضًا باسم أكسيد السيليكون) ومعالجته في رقائق محسوسة عن طريق دمج الألياف معًا في درجة حرارة عالية، بعد ذلك، يتم تغليف الرقاقة بغشاء رقيق شفاف من أكسيد القصدير المشبع بالفلور ، والمعروف بموصليةه الممتازة وقوته وسهولة توسيعه.
تؤدي هذه الخطوات الأولى إلى رقاقة شفافة، مسامية، وموصلة، ضرورية لزيادة التلامس مع جزيئات الماء في الهواء والسماح للفوتونات بالمرور، ثم يتم طلاء الرقاقة مرة أخرى ، وهذه المرة بطبقة رقيقة من مواد أشباه الموصلات التي تمتص أشعة الشمس .
لا يزال هذا الغلاف الرقيق الثاني يسمح بمرور الضوء، لكنه يبدو معتمًا بسبب مساحة السطح الكبيرة للركيزة المسامية، كما هو الحال، يمكن لهذه الرقاقة أن تنتج وقود الهيدروجين بمجرد تعرضها لأشعة الشمس.
واصل العلماء بناء غرفة صغيرة تحتوي على الرقاقة المطلية، بالإضافة إلى غشاء لفصل غاز الهيدروجين الناتج للقياس، عندما تتعرض غرفهم لأشعة الشمس في ظل ظروف رطبة ، يتم إنتاج غاز الهيدروجين، مما يحقق ما شرع العلماء في القيام به، مما يدل على أنه يمكن تحقيق مفهوم قطب كهربائي شفاف لنشر الغاز لإنتاج غاز الهيدروجين الذي يعمل بالطاقة الشمسية.
في حين أن العلماء لم يدرسوا رسميًا كفاءة التحويل من الطاقة الشمسية إلى الهيدروجين في عرضهم، إلا أنهم أقروا بأنها متواضعة بالنسبة لهذا النموذج الأولي، وحاليًا أقل مما يمكن تحقيقه في خلايا PEC القائمة على السائل.
بناءً على المواد المستخدمة، فإن الحد الأقصى من كفاءة التحويل النظري من الطاقة الشمسية إلى الهيدروجين للرقاقة المطلية هي 12٪، بينما تم إثبات كفاءة الخلايا السائلة بنسبة تصل إلى 19٪.
