الطاقة بين الأحمر والأسود

ويحاول علماء معهد وايزمان منافسة النباتات في مجال استغلال الطاقة الشمسية. هل لدينا فرصة للفوز بهذه المسابقة؟

هناك مستقبل للطاقة البديلة. من بين أمور أخرى، لأن ما لا تفعله الطبيعة، ربما سيفعله اللون. وفي المستقبل قد نطلي المنازل والسيارات والسفن والطائرات بطبقة رقيقة من الطلاء تمتص الطاقة الشمسية وتحولها إلى كهرباء أو وقود. سيتم اختيار اللون مع وضع الجماليات في الاعتبار، ولكن اعتبارات الطاقة ستفرض بعض التنازلات. سيارات فيراري، على سبيل المثال، لن تكون بالضرورة مطلية باللون الأحمر. من الممكن أن يكون الظل الذي يناسبهم - لغرض الإنتاج الفعال للطاقة - أسودًا بالفعل. في الواقع، سيتم طلاء معظم المركبات بألوان داكنة لاستيعاب المزيد من الطاقة الشمسية.

ويرى الدكتور بوريس ريفشينسكي، من قسم الكيمياء العضوية في معهد وايزمان للعلوم، في هذه "الرؤية السوداء" سببا للتفاؤل. ويقول: "فيما يتعلق باستخدام الطاقة، لم نحقق الكثير من التقدم". ومن أجل الحصول على الطاقة، نقوم بحرق النفط أو الفحم، الذي يكون توفره محدودا وحرقهما يشكل خطرا على البيئة. وفي الوقت نفسه، يتزايد استهلاك الطاقة في العالم، ويصبح الاحتباس الحراري العالمي أكثر تهديدا. هناك فجوة كبيرة جداً بين حدة مشكلة الطاقة ووتيرة تقدمنا ​​في إيجاد مصادر بديلة للطاقة. ولذلك يجب علينا إيجاد أفكار جديدة ومبتكرة للتعامل مع المشكلة".

يقوم أعضاء مجموعة أبحاث الدكتور ريفشينسكي بالترويج لهذه الفكرة الإبداعية، التي تعتمد على عملية التمثيل الضوئي، وهي العملية التي تقوم فيها بعض النباتات والبكتيريا بتحويل ضوء الشمس إلى طاقة كيميائية باستخدام صبغة عضوية - الكلوروفيل. من المسلم به أن هناك أصباغ اصطناعية أكثر فعالية بكثير من الكلوروفيل، ولكن دمجها في الأنظمة النشطة ليس بالأمر السهل. ويهدف الدكتور ريفشينسكي إلى بناء أنظمة جزيئية "مترابطة بشكل جيد"، والتي سوف تمتص ضوء الشمس في عملية ذكية ستمكن من إنتاج الكهرباء والوقود باستخدام الطاقة الشمسية.

وفي الواقع، توجد بالفعل خلايا شمسية تعمل على تحويل طاقة الشمس إلى كهرباء، لكن استخدامها محدود، من بين أمور أخرى، بسبب تكلفتها العالية. هناك مشكلة أخرى وهي تخزين الطاقة، حيث أن الخلية الشمسية تعمل فقط عندما تكون الشمس مشرقة. ويكمن حل هذه المشكلة في قدرتنا على تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية، أي إنتاج الوقود من المواد المتاحة باستخدام الضوء. وهذا بالضبط ما تفعله عملية التمثيل الضوئي في الطبيعة. يهدف الدكتور ريفشينسكي إلى بناء أنظمة التمثيل الضوئي الاصطناعية من المواد العضوية والتي ستكون رخيصة ومريحة. وفي العمليات التي يأمل في تطويرها، قد يكون من الممكن إنتاج أنواع مختلفة من الوقود. ومن بين أمور أخرى، يتعلق الأمر بإنتاج الهيدروجين من الماء، أو إنتاج الميثانول (نوع من الوقود) من الماء وثاني أكسيد الكربون. ويكمن الحل في قدرتنا على إنشاء أنظمة معقدة تسمح لنا بالتحكم في تفاعلاتها مع الضوء، وكذلك نشاطها الكهربائي والكيميائي. ويشكل بناء وفهم مثل هذه الأنظمة تحديًا كبيرًا. يعتقد الدكتور ريفشينسكي أن فهم عملية التمثيل الضوئي في الطبيعة والإنجازات في مجالات الكيمياء العضوية وتكنولوجيا النانو سيمكن من إيجاد حلول مبتكرة.

لا توجد مجمعات شمسية تقليدية في مختبر الدكتور ريفشينسكي. في الواقع، بدون المجهر الإلكتروني من المستحيل رؤية أنظمته الشمسية، التي لا يتجاوز حجمها بضعة أجزاء من المليون من المليمتر. لإنتاج هذه الأنظمة الصغيرة، يستخدم الدكتور ريفشينسكي ظاهرة التنظيم الذاتي، التي تتحكم في تكوين الأنظمة المختلفة. ويحتفظ بالماء دور مهم في هذه العملية: تنجذب جزيئات مختلفة إلى جزيئات الماء أو تتنافر منها، ووفقا لهذه الخاصية يتم تحديد مكان هذه الجزيئات في الهياكل المختلفة، بما في ذلك الخلايا والأنسجة الحية. يستخدم الدكتور ريبشينسكي سلسلة من الأساليب الجزيئية المتقدمة للاستفادة من الكارهة للماء (كراهية الماء) لبعض الجزيئات العضوية، وجعلها تنظم نفسها في هياكل فعالة لتحويل الطاقة الشمسية.

في إحدى هذه الدراسات، قام الدكتور ريفشينسكي ببناء "أسلاك" جزيئية مصممة لأداء ثلاث وظائف، بترتيب تصاعدي من حيث الصعوبة: نقل الفوتونات أثناء امتصاص الطاقة الشمسية، كما يحدث في المرحلة الأولى من عملية التمثيل الضوئي؛ لنقل الإلكترونات لتمرير التيار الكهربائي في الخلايا الشمسية؛ وأخيرًا، نقل الإلكترونات والبروتونات لإنتاج الوقود الشمسي.

وفي الوقت نفسه، وكجزء من مبادرة معهد وايزمان للعلوم الجديدة في مجال أبحاث الطاقة البديلة، فهو يتعاون مع علماء آخرين في المعهد في بناء أنظمة شمسية تجمع بين الجزيئات العضوية والمحفزات والجسيمات النانوية لتحويل الطاقة الشمسية إلى الكهرباء والوقود. ويقول: "نحن نسعى جاهدين لحل مسائل العلوم الأساسية، التي تعتبر مفتاح الحلول العملية في مجال الطاقة البديلة". "أنا وطلاب البحث في مجموعتي ملتزمون بهذا الجهد، وهو مصدر تحفيز لنا جميعًا."

وعلى المدى الطويل، يأمل العلماء ليس فقط الوصول إلى درجة كفاءة المحطات في مجال استغلال الطاقة الشمسية - وهو تحد كبير في حد ذاته - ولكن أيضا تجاوزها واكتساب القدرة على العمل بكفاءة أكبر. يقول الدكتور ريفشينسكي: "النباتات لا تتحرك مثلنا، لذا فإن احتياجاتنا من الطاقة أكبر بكثير من احتياجاتها". "من هنا يتضح أنه يتعين علينا إنتاج المزيد من الطاقة وبكفاءة أكبر."