مصدر جديد للأسمدة الزراعية الرخيصة؟

إن حل لغز عمره خمسة وسبعون عامًا قد يسمح يومًا ما للمزارعين في البلدان النامية بإنتاج أسمدة خاصة بهم حسب الحاجة، باستخدام ضوء الشمس والنيتروجين من الهواء.

بفضل جهاز خاص للأشعة السينية، تمكن باحثون من معهد جورجيا للتكنولوجيا من التحقق من وجود العلاقة المتبادلة التي كانت مجرد فرضية لسنوات عديدة بين النيتروجين وثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2) - وهي مادة تحفيز ضوئي شائعة تعرف باسم تيتانيا - في وجود الضوء. ويعتقد الباحثون أن التفاعل التحفيزي يستخدم ذرات الكربون الموجودة على شكل شوائب داخل التيتانيا.

إذا كان من الممكن توسيع نطاق تفاعل تثبيت النيتروجين هذا، فقد يساعد في المستقبل على إنتاج نظيف للأسمدة يمكن أن يقلل تكاليفه المالية، خاصة في المزارع الزراعية الواقعة في المناطق المعزولة. يتم إنتاج معظم الأسمدة المنتجة اليوم باستخدام الأمونيا كجزء من عملية تسمى هابر بوش، وهي عملية مطلوبة لكميات كبيرة من الغاز الطبيعي. "في الولايات المتحدة، هناك نظام ممتاز لإنتاج وتوزيع الأسمدة. وفي الوقت نفسه، فإن العديد من الدول غير قادرة على بناء مصانع تعتمد على هذه العملية (هابر-بوش)، كما أنها تفتقر إلى البنية التحتية المناسبة للنقل لاستيراد الأسمدة. وقال أحد الباحثين: "في مثل هذه المناطق، قد يكون التثبيت التحفيزي الضوئي للنيتروجين مفيدًا لإنتاج الأسمدة حسب الطلب". "في نهاية المطاف، قد تكون هذه العملية رخيصة الثمن ويمكنها إنتاج مواد مغذية تعتمد على الأسمدة بحيث تكون متاحة لمجموعة واسعة من المزارعين."

بدأ البحث منذ أكثر من عامين عندما بدأ الباحثون في التعاون على لغز نشأ في مقال نشره عالم تربة هندي في عام 1941، حيث أبلغ عن ملاحظة تشير إلى زيادة في كمية الأمونيا المنبعثة من كومة السماد التي تعرضت لـ تم عرض الضوء. واقترح العالم الهندي أن تفاعل التحفيز الضوئي مع المعادن الموجودة في السماد يمكن أن يكون مسؤولاً عن الحصول على الأمونيا.

منذ نشر المقال، أبلغ باحثون آخرون أيضًا عن تثبيت النيتروجين فوق سطح التيتانيا وإنتاج الأمونيا نتيجة لذلك، لكن النتائج لم يتم إثباتها بشكل موثوق في التجارب العلمية. أحد الباحثين من معهد جورجيا للتكنولوجيا متخصص في الكيمياء النظرية وشارك في بناء نموذج حاسوبي يمكنه وصف المسارات الكيميائية المطلوبة لتثبيت النيتروجين في تيتانيا واحتمال إنتاج الأمونيا أثناء استخدام تفاعلات إضافية.

أشارت الحسابات إلى أن العملية المقترحة كانت غير عملية بالنسبة للتيتانيا النقية، وفشل الباحثون في الحصول على منحة بحثية تهدف إلى اختبار العملية غير المعروفة. وعلى الرغم من رفض مقترحهم البحثي، فقد حصلوا على وقت تجريبي على معدات متقدمة سمحت لهم، في نهاية المطاف، باختبار مكون رئيسي في فرضيتهم.
وسمحت المعدات الخاصة للباحثين باستخدام طريقة XPS (التحليل الطيفي للأشعة السينية الضوئية) لفحص سطح تيتانيا حيث يتفاعل معه النيتروجين والماء والأكسجين في الظلام وفي الضوء. في البداية، لم يلاحظ الباحثون أي تثبيت كيميائي ضوئي للنيتروجين، ولكن مع تقدم التجارب، لاحظوا تفاعلًا فريدًا بين النيتروجين والبيوتيتانيا عندما تم تسليط الضوء مباشرة على سطح المعدن. وما تفسير عدم ظهور هذه النتائج في تجاربهم السابقة؟ ويعتقد الباحثون أن تلوث السطح بذرات الكربون - على الأرجح من المواد الهيدروكربونية - هو جزء أساسي من العملية التحفيزية لتخفيض النيتروجين على تيتانيا. "قبل بدء التجارب، تخضع العينات لتنظيف شامل لإزالة جميع بقايا الكربون من سطحها، ومع ذلك، أثناء الاختبار، قد تدخل كمية متبقية من الكربون من مجموعة متنوعة من المصادر (الغازات وغرفة التفريغ) إلى العينة مرة أخرى". يوضح كبير الباحثين. "لقد اكتشفنا أن الحالات التي لوحظت فيها أشكال النيتروجين المعاد تدويرها حدثت فقط عندما كان هناك مستوى معين من الكربون داخل العينة." يمكن أن تفسر فرضية التلوث الهيدروكربوني سبب تقديم الدراسات السابقة لنتائج غير متناسقة. الكربون موجود دائمًا في المستويات المتبقية على تيتانيا، لكن ترك الكمية والنوع المناسبين قد يكون مفتاح نجاح التفاعل.
"نعتقد أن النتائج التي توصلنا إليها تفسر جيدًا النتائج المدهشة التي تم الإبلاغ عنها على مر السنين في الأدبيات العلمية، ونأمل أن توفر رؤى حول تحضير محفزات جديدة من خلال حل لغز عمره 75 عامًا،" يضيف الرائد. الباحث. "عادة ما تكون أفضل المحفزات هي مواد نقية للغاية يتم إنتاجها في غرف نظيفة. وفي هذه الحالة، يكون العكس تمامًا - فهذا التفاعل يتطلب في الواقع وجود شوائب، وهي نتيجة قد تكون مفيدة للتطبيقات المستدامة في الزراعة."
ولم تقيس الدراسة المنشورة في المجلة وجود الأمونيا، لكن نفس الباحثين اكتشفوا كميات منها في الاختبارات المعملية التي أجروها منذ ذلك الحين. ونظرًا لأن الأمونيا التي تم الحصول عليها الآن عند هذه المستويات المنخفضة، يتعين على الباحثين اتخاذ الاحتياطات اللازمة لتجنب التلوث من الأمونيا نفسها. يوضح الباحث الرئيسي: "حتى الشريط اللاصق المستخدم في المعدات يمكن أن ينتج كميات صغيرة من الأمونيا التي يمكن أن تؤثر على القياسات". ويعتقد الباحثون أنه بفضل التحسينات في العملية، فإن مزايا إنتاج الأسمدة في موقع الاستهلاك نفسه في ظل الظروف العادية ستكون قادرة على التغلب على قيود الطريقة. "إذا تمكنا من تطوير منشأة صغيرة لإنتاج الأمونيا بسعة تكفي لمزرعة واحدة، منشأة إنتاج قادرة على تلبية احتياجات النيتروجين والأكسجين من الهواء الحر المحيط بنا، فسنوفر على الفور تغييرًا كبيرًا لتلك المزرعة "، يوضح الباحث الرئيسي.

ملخص المقال

أخبار الدراسة