تغطية شاملة

ورقة اصطناعية لإنتاج الكهرباء بكفاءة

نظام جديد لإنتاج الوقود الشمسي، أو الورقة الاصطناعية، ينتج الوقود من ضوء الشمس والماء بشكل آمن مع تحقيق أعلى كفاءة واستقرار في العالم.

الائتمان: الصورة مقدمة من المركز المشترك للتمثيل الضوئي الاصطناعي؛ عمل فني لداريوس سيويك. - شاهد المزيد على موقع معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا
الائتمان: الصورة مقدمة من المركز المشترك للتمثيل الضوئي الاصطناعي؛ عمل فني لداريوس سيويك. - رؤية المزيد في موقع معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا

[ترجمة د.نحماني موشيه]

ويشكل إنتاج وتخزين الطاقة المتجددة، مثل الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح، عائقاً رئيسياً أمام تحقيق اقتصاد يعتمد على الطاقة النظيفة. لدى باحثين من المركز المشترك للتمثيل الضوئي الاصطناعي (JCAP) من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (Caltech) هدف رئيسي واحد: تطوير طريقة اقتصادية لإنتاج الوقود باستخدام ضوء الشمس والماء وثاني أكسيد الكربون فقط، وهي طريقة تحاكي العملية الطبيعية. لعملية التمثيل الضوئي التي تحدث في النباتات وتسمح بتخزين الطاقة الكيميائية لاستخدامها عند الطلب. على مدى السنوات الخمس الماضية، أحرز الباحثون من المركز المشترك تقدمًا كبيرًا نحو تحقيق هذا الهدف، ويعلنون الآن عن تطوير أول نظام كامل وفعال وآمن ومتكامل يعتمد على الطاقة الشمسية لتقسيم المياه لإنتاج وقود الهيدروجين.

تم وصف النظام الجديد لإنتاج الوقود الشمسي، أو الورقة الاصطناعية، في النسخة الإلكترونية من المجلة العلمية الطاقة والعلوم البيئية. يتكون النظام الحديث من ثلاثة مكونات رئيسية: قطبين كهربائيين، أحدهما كاثود ضوئي والآخر كاثود ضوئي، وغشاء (غشاء). يستخدم الأنود الضوئي أشعة الشمس لأكسدة جزيئات الماء، مما يؤدي إلى تكوين البروتونات والإلكترونات، بالإضافة إلى غاز الأكسجين. يعيد الكاثود الضوئي تجميع البروتونات والإلكترونات لتكوين غاز الهيدروجين. المكون الرئيسي للنظام الجديد هو الغشاء البلاستيكي، الذي يحافظ على فصل غازي الأكسجين والهيدروجين عن بعضهما البعض. إذا اختلط هذين الغازين وتعرضا عن طريق الخطأ لمصدر اشتعال، فقد يحدث انفجار؛ يسمح الغشاء لغاز الهيدروجين بالتراكم بشكل منفصل تحت الضغط وتدفقه بأمان في خط الأنابيب.

تمتص أشباه الموصلات مثل السيليكون أو زرنيخيد الغاليوم ضوء الشمس بشكل فعال، وبالتالي فهي شائعة في الألواح الشمسية. وفي الوقت نفسه، تتأكسد هذه المواد (أو تصدأ) عند ملامستها للماء عندما تكون على السطح الخارجي للوح الشمسي، لذلك لا يمكن استخدامها مباشرة لتوليد الكهرباء. حدث تقدم حقيقي عندما اعتمد الباحثون على اكتشاف سابق أظهر أن إضافة طبقة نانومترية من ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2) - وهي مادة موجودة في الطلاء الأبيض ومعاجين الأسنان وكريم تسمير البشرة - فوق القطب الكهربائي يمكن أن تمنعها من الصدأ ولا تزال تسمح بذلك. مرور الإلكترونات من خلالها. ويكمن تقدم رئيسي آخر في استخدام المحفزات النشطة الرخيصة لإنتاج الوقود. يتطلب الرمز الضوئي محفزًا يعمل على تسريع تفاعل الانقسام الحيوي لجزيء الماء.

يمكن استخدام المعادن النادرة والمكلفة، مثل البلاتين، كمحفزات فعالة، لكن في هذه الدراسة اكتشف العلماء أنه يمكن إنشاء محفز نشط أرخص بكثير عن طريق إضافة طبقة نانومترية رقيقة (سمكها 2 نانومتر) من النيكل إلى سطح المادة. ثاني أكسيد التيتانيوم. يعد هذا المحفز أحد أكثر المحفزات فعالية لإجراء تفاعل تقسيم جزيئات الماء. يوجد أيضًا في الكاثود الضوئي محفز عالي النشاط ورخيص الثمن يتكون من النيكل والموليبدينوم، بحيث يتم الحصول على مادة متكاملة وكاملة تعمل كنظام متكامل لفصل المياه يعتمد على الطاقة الشمسية.

ويبلغ حجم النظام النموذجي سنتيمترا مربعا وهو قادر على تحويل 10 بالمئة من أشعة الشمس إلى طاقة مخزنة كوقود كيميائي، ويمكنه العمل بشكل متواصل لأكثر من أربعين ساعة. ويشير الباحث الرئيسي إلى أن "نظامنا الجديد يحقق جميع معايير السلامة والأداء والاستقرار لتقنيات الأوراق الاصطناعية بعوامل تتراوح بين 10 و5 أو حتى أكثر".

ملخص المقال

أخبار الدراسة

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:

تعليقات 14

  1. جناح
    هل يمكن أن تخبرني ما هو موضوع المقال؟
    هل يمكن أن تخبرني ما علاقة موضوع المقال بردود الرقابة؟
    هل يمكن أن تخبرني كيف يمكن وصف المعلق بأنه "معلق سيء لا يعبر إلا عن آراء" ذات صلة بالمقالة؟

    إذا كان كل ما استخلصه الرقيب من المقال هو الاستنتاج بأن التطور "يمكن أن يقضي على ثروة المسلمين ويقضي على إرهابهم القاتل"، فمن الواضح أن الإنجاز العلمي لا يثير اهتمامه حقًا.
    إن إدخال السياسة والافتراء، إلى جانب كونها صبيانية، لا علاقة له بأي حال من الأحوال بالمقال وأعتقد أن هدفه الوحيد في هذا الرد هو تأجيج الأرواح ويكون في قلب مناقشة عاطفية وغير ذات صلة. هذا هو تعريف القزم.
    المعلق الوحيد هنا الذي رد على المقال بموضوعية: سؤال تام، هو أيضا الوحيد الذي لم يرد (بسبب التعليقات المزعجة).

    لذا، "سؤال تام"، اقبل اعتذاري عن إطعام المتصيدين بدلاً من الرد عليك.
    على أسئلتك:
    1. لن أخوض في الديناميكا الحرارية، لكن ورقة النبات الحقيقية تتطلب ما لا يقل عن 8 فوتونات من الضوء بطول موجي مناسب، من أجل تنشيط جزيء ثاني أكسيد الكربون واحد. نسبة الطاقة بين تحويل مول من ثاني أكسيد الكربون إلى مول من الجلوكوز والطاقة في الكمية المطلوبة من الفوتونات هي 2:2. والقصد من ذلك هو أنه في ظل الظروف المثلى، يصل استخدام الطاقة الشمسية في الورقة إلى 1%. نظرًا لأن ضوء الشمس يحتوي على عدة أطوال موجية، ويمكن استخدامها أيضًا في عملية التمثيل الضوئي، فإن كفاءة الطاقة تقترب من 3%
    خارج المختبر، حيث يوجد دائمًا نقص في المواد الخام/الماء/الضوء/ثاني أكسيد الكربون/درجة الحرارة المناسبة، يكون الاستخدام أقل وأقرب إلى نسبة قليلة.
    2. الأخبار التي تسمعها تدور في معظمها حول النجاحات النظرية على مستوى إثبات المفهوم. ومن هنا إلى جعل التطورات عملية، لا يزال هناك طريق طويل لنقطعه.
    أعتقد أن العائق الرئيسي هو التكلفة العالية لإنتاج مواد معقدة ذات قدرة عالية على استخدام الطاقة الشمسية، والقدرة على إنتاجها على نطاق تجاري ومدة صلاحيتها.
    زيارة إلى مزرعة عربة ستوضح لك أنه حتى الآن، من المفيد، في بعض الحالات، شراء الألواح الشمسية من أجل تخفيف عبء استهلاك الكهرباء.

  2. إيثان
    "المتصيد هو الشخص الذي يرد برد لا صلة له بالموضوع ولا علاقة له بأي حال من الأحوال بموضوع المقال من أجل تأجيج النفوس وخلق نقاش ساخن يكون في قلب المقال."

    يعني تسمي نفسك ترول...
    لقد عبر الرقيب عن رأيه (الذي قبله الآخرون في هذا المقال) بإيجاز - وهاجمته بهدف قضمه.
    بدلاً من الإشارة إلى المقال، فإنك تتحدث عن معتقداتك السياسية وكراهيتك. وعندما يرد عليك في الأمر تقول إنه لا يشير إلى المقال.
    أنت تضع نفسك في وسط المقال وتطالب الآخرين بعدم القيام بذلك.. أنت متصيد غريب وموهم.

  3. المتصيد هو الشخص الذي يرد برد لا صلة له بالموضوع ولا علاقة له بأي حال من الأحوال بموضوع المقالة من أجل تأجيج النفوس وخلق نقاش ساخن يكون في قلب المقال.
    إذا اختار شخص ما مقالًا يتناول تطور استخدام الطاقة الشمسية من أجل تسطيح معتقداته السياسية وكراهيته، فمن المحتمل أن يكون متصيدًا.
    من المؤكد أنه ليس لديه أي اهتمام حقيقي بموضوع المقال.

  4. "ومن ناحية أخرى، يبدو أن داعش دفعت الولايات المتحدة إلى عقد تحالف مصالح مع إيران لا يعزز مصالح إسرائيل" - الولايات المتحدة هي المسؤولة عن الربيع العربي، كما أنها دفعت لصعود جماعة الإخوان المسلمين في مصر. (التي أطيح بها لحسن الحظ).
    الإخوان المسلمون يدعمون إيران، لأنهم يدعمون الوحدة الإسلامية - ولهذا السبب يطلق عليهم "الإخوة".
    ولهذا السبب تدعم تركيا أيضًا إيران. وبدأت الولايات المتحدة في التقرب من إيران في عام 2010، في أيام أحمدي نجاد. السؤال هو لماذا؟ لأن أوباما نفسه من الإخوان المسلمين ومستشاروه كذلك (في بيان).
    أنت لا تعرف التاريخ ومعلق سيء. أنت فقط تعبر عن آراء. إذن من هو القزم هنا؟

  5. صباح الخير عوفر
    أعتقد أن التنظيم الذي نصّب نفسه "الدولة الإسلامية في العراق وسوريا" لم يكن لينشأ لولا الحرب الأهلية في سوريا.
    وأعتقد أن حقيقة أنه يستمد قوته خاصة من المناطق التي تأثرت بـ"الربيع العربي" يقول الدرشاني.
    أعتقد أنه في نوع ما من الحلقة المفرغة المرضية، فإن داعش مسؤول عن تدفق أعداد كبيرة من اللاجئين إلى أوروبا، وفي الوقت نفسه عن التدفق الجماعي للمهاجرين الأوروبيين (السابقين) للانضمام إلى صفوفه عبر تركيا.
    ليس لدي أي فكرة عما إذا كانت كل التغييرات السياسية جيدة أم لا، ولكن لا أعتقد أن هناك أي جدل حول حقيقتها.
    فمن ناحية، فإن إراقة الدماء المستمرة لأعدائنا تضعفهم
    ومن ناحية أخرى، يبدو أن داعش دفعت الولايات المتحدة للدخول في تحالف مصالح مع إيران لا يعزز مصالح إسرائيل.
    بالإضافة إلى ذلك، فإن تدفق اللاجئين يغير وجه الاتحاد الأوروبي (في رأيي ليس للأفضل).
    ليس لدي معرفة تاريخية/سياسية كافية لإبداء رأي مدروس حول هذه القضايا. رأيي الشخصي هو أنهم لن يكونوا في صالحنا على المدى الطويل.
    وكل هذا لا يزال لا علاقة له بموضوع المقال..

  6. إيتان: "... لا يهم أن انهيار الدول العربية غير المهمة هو الذي جلب داعش..."
    على الرغم من أنها ليست ذات صلة بالموقع ومحتواه، إلا أن هذه الفرضية (التي طرحتها هنا، سواءً بالصدفة أم لا، كحقيقة راسخة وحقيقة لا جدال فيها) غير مقبولة بالنسبة لي ولدى العديد من الأشخاص الطيبين الآخرين. إذا كنت قد طرحت الأمر بالفعل، فيجب أن تقال الكلمات.

  7. تام
    لا يهم إذا كنت توافق.
    ولا يهم إذا كانت الولايات المتحدة وروسيا والصين تنتج نفطاً أكثر من كل دول الخليج وستخسر أكثر من تطوير الطاقات الخضراء.
    لا يهم أن انهيار الدول العربية غير المهمة أدى إلى ظهور تنظيم الدولة الإسلامية وزعزعة استقرار أوروبا من خلال موجات من اللاجئين الذين سيصبحون قريبًا مواطنين ويؤثرون على السياسة الأوروبية المناهضة لإسرائيل أكثر مما هي عليه الآن، لذلك من المفترض أن زعزعة الاستقرار من البلدان الأكثر أهمية سيؤدي إلى تغييرات أكبر وأقل قابلية للتنبؤ بها.

    الشيء الوحيد الذي يتغير هو أن المقال يتناول التطور العلمي ومن يحاول إجبارها على الموافقة على معتقداته السياسية أو كراهيته الخاصة فهو متصيد وينتمي إلى عمود التعليقات في واي نت.

  8. آسف، ولكني في الواقع أتفق مع الرقابة، بينما العالم الغربي يتطور ويتقدم بفضل التفكير الإبداعي وبفضل المعرفة والعلم وتطور التقنيات الحديثة، والدول العربية والدول الإسلامية (أولاً إيران والمملكة العربية السعودية) ودول الخليج) تستمد معظم قوتها ودعمها للإرهاب من النفط الوافر الذي تمتلكه، فعندما يتحول العالم إلى التقنيات الخضراء وحتى لن يعود أحد بحاجة إلى نفطها، فسوف يتسبب ذلك في انهيارها (آمين وآمين). وربما سيكون العالم أفضل بكثير.

    اليوم، لسوء الحظ، ما زالوا يسيطرون على العالم والقوى، وحان الوقت لوضع حد لذلك.

    يمكن لإسرائيل أن تكون قوة في مجال الطاقة الخضراء.

  9. 1. "يبلغ حجم النموذج الأولي للنظام سنتيمترًا مربعًا وهو قادر على تحويل 10 بالمائة من أشعة الشمس إلى طاقة مخزنة كوقود كيميائي"

    للمقارنة، ما هو معدل التحويل (بالنسبة المئوية) لورقة نبات حقيقية؟

    2. نسمع بين الحين والآخر أخباراً عن اختراقات في مجال الطاقة الشمسية، متى ستصل هذه الطريقة إلى مستوى سعر/ كفاءة النفط والغاز وتكون قادرة على استبدالهما كمصدر رئيسي للطاقة؟

ترك الرد

لن يتم نشر البريد الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها *

يستخدم هذا الموقع Akismat لمنع الرسائل غير المرغوب فيها. انقر هنا لمعرفة كيفية معالجة بيانات الرد الخاصة بك.