سيساعد تقسيم الماء بمساعدة الطاقة الشمسية في الإنتاج الفعال لوقود الهيدروجين

وطور فريق البحث نظاما شمسيا حراريا يمكن من خلاله تركيز أشعة الشمس بمساعدة مجموعة كبيرة من المرايا في نقطة واحدة أعلى برج مركزي يبلغ ارتفاعه مئات الأمتار.

طور فريق من الباحثين من جامعة كولورادو طريقة مبتكرة تستخدم قوة الإشعاع الشمسي لتقسيم جزيء الماء بكفاءة إلى مكوناته - الهيدروجين والأكسجين. يمكن لهذه الطريقة أن تمهد الطريق لاستخدام الهيدروجين على نطاق أوسع كوقود نظيف وصديق للبيئة.

وطور فريق البحث نظاما شمسيا حراريا يمكن من خلاله تركيز أشعة الشمس بمساعدة مجموعة كبيرة من المرايا في نقطة واحدة أعلى برج مركزي يبلغ ارتفاعه مئات الأمتار. في هذا البرج سيكون من الممكن الحصول بمساعدة المرايا على درجة حرارة 1350 درجة مئوية والتي سيتم نقلها إلى خزان التفاعل الذي يحتوي على مركبات أكسيد المعادن. وبمجرد تسخين هذه الأكاسيد، فإنها تطلق ذرات الأكسجين المخزنة فيها وتتحول إلى مركبات مختلفة تبحث عن المزيد من ذرات الأكسجين، كما يوضح الباحث الرئيسي. وأظهر فريق الباحثين أن إضافة البخار إلى النظام - والذي يمكن الحصول عليه من الماء المغلي الذي يتم تسخينه بمساعدة شعاع ضوء الشمس المركز - يتسبب في التصاق ذرات الأكسجين التي تشكل جزيء الماء بسطح أكسيد المعدن بينما إطلاق ذرات الهيدروجين التي تتفاعل معًا للحصول على غاز الهيدروجين النظيف.

وقال الباحث الرئيسي والأستاذ في قسم الكيمياء والكيمياء: "لقد صممنا نظامًا هنا مختلفًا تمامًا عن جميع الطرق الأخرى الموجودة، وفي الواقع، فكرة لم يعتقد أحد من قبل أنها ستكون ممكنة". الهندسة البيولوجية في جامعة كولورادو. "إن تقسيم جزيئات الماء بمساعدة أشعة الشمس هو "الكأس المقدسة" لاقتصاد الهيدروجين المستدام." ونشرت نتائج البحث في المجلة العلمية المرموقة Science.

ويشير أحد الباحثين إلى أن أحد الاختلافات الرئيسية بين الطريقة الجديدة والطرق الأخرى التي تم تطويرها لتقسيم الماء هو قدرتها على إجراء تفاعلين كيميائيين منفصلين في نفس درجة الحرارة. ورغم أن تفاصيل الآلية ليست كلها معروفة للعلم، إلا أن النظريات التقليدية تنص على أن إنتاج الهيدروجين بمساعدة أكسيد الفلز يتطلب تسخين خزان التفاعل إلى درجة حرارة عالية من أجل إزالة ذرات الأكسجين من الأكسيد ثم خفض درجة الحرارة قبل حقن البخار المصمم لإعادة أكسجين المركب مع الحصول على غاز الهيدروجين المنبعث من الأكسيد نفسه.

يوضح الباحث: "تتطلب الأساليب الحالية التحكم في خفض درجة الحرارة في الخزان من درجة حرارة عالية إلى درجة حرارة منخفضة وأثناء تدفق البخار إلى النظام". "أحد الابتكارات العظيمة لنظامنا هو أننا لا نحدث تغيرات في درجات الحرارة. ويتم التحكم في العملية برمتها عن طريق تشغيل أو إيقاف صمام البخار فقط."

يوضح الباحث: "تمامًا كما يمكنك استخدام عدسة مكبرة لإشعال النار، يمكننا تركيز أشعة الشمس واستخدام الحرارة المتولدة من الشعاع المركز لبدء هذه التفاعلات الكيميائية". "على الرغم من أننا نستطيع تسخين الشعاع إلى درجة حرارة أعلى من 1350 درجة مئوية، إلا أننا نقوم بتسخينه إلى أدنى درجة حرارة ممكنة لبدء التفاعلات الكيميائية، وذلك لتجنب تلف المواد نفسها ومعدات التفاعل."

بالإضافة إلى ذلك، فإن الطرق المعتادة لتقسيم المياه باستخدام عملية من خطوتين تهدر الوقت والحرارة، وهذا على الرغم من أن ساعات ضوء الشمس يوميًا محدودة، كما يشير أحد الباحثين. وبمساعدة الطريقة المبتكرة، فإن كمية الهيدروجين المنتجة لخلايا الوقود أو لتخزينها لاستخدامها لاحقا تعتمد بشكل مطلق على كمية أكسيد المعدن - الذي يتكون من خليط من الحديد والكوبالت والألمنيوم والأكسجين - وعلى الكمية. من البخار المحقون في النظام. ومن التصاميم التي اقترحها الباحثون بناء خزان تفاعل على شكل أنابيب قطرها 30 سم وطولها عدة أمتار، وملؤها بأكسيد المعدن ورصها فوق بعضها البعض. ويتطلب النظام النشط تجاريا لإنتاج كمية كبيرة من غاز الهيدروجين عددا من الأبراج لتركيز أشعة الشمس ضمن مساحة عدة آلاف من الأمتار المربعة من المرايا المحيطة بكل برج.

"على الرغم من هذا الاكتشاف المهم، فإن تسويق سفينة التفاعل الحراري الشمسي من هذا النوع قد يستغرق عدة سنوات. يوضح الباحث الرئيسي: "عندما يكون سعر الغاز الطبيعي منخفضًا جدًا، لا يوجد حافز لاستخدام الطاقة النظيفة". "لن يحدث هذا إلا عندما يتم فرض عقوبات صارمة على تلوث الهواء بالكربون، أو عندما يكون سعر الوقود الأحفوري مرتفعا للغاية."

خبر البحث على موقع الجامعة