تزود بالوقود بالهيدروجين

ويعمل الباحثون على تطوير طرق لمعالجة غاز الهيدروجين بكمية تسمح برحلات طويلة في المركبات التي تعمل بخلايا الوقود

بقلم سونيتا ستيفل وجون بتروفيتش وجورج توماس

في أحد الأيام، في أواخر صيف عام 1783، أجرى جاك تشارلز عملية مذهلة في باريس. وانطلق إلى ارتفاع ألف متر فوق سطح الأرض في منطاد مصنوع من أكياس حريرية مغطاة بالمطاط، ملأه بضوء غاز الهيدروجين المنبعث من الهواء. دمر المزارعون المذعورون المنطاد بعد وقت قصير من هبوطه، لكن تشارلز بدأ مسعى لا يزال العلماء يقومون به بعد قرنين من الزمن: لتسخير قوة الهيدروجين، أخف عنصر في الكون، لأغراض النقل.

وسواء أحرقوا الهيدروجين في المحرك، أو استخدموه لتوليد الكهرباء في خلايا الوقود، فإن إمكانية استخدام الهيدروجين لتشغيل مركبات المستقبل هي احتمالية سحرية لعدة أسباب. ويمكن إنتاجه في المصانع المحلية من مواد خام ومصادر طاقة متنوعة (مثل مصادر الطاقة المتجددة أو المفاعلات النووية أو الوقود المعدني). الغاز غير سام ويمكن استخدامه كحامل طاقة غير ملوث في العديد من أنواع الآلات. عندما يحترق الهيدروجين فإنه لا يطلق ثاني أكسيد الكربون، وهو أحد الغازات الدفيئة القوية. إذا قمت بتغذية الهيدروجين لمجموعة من خلايا الوقود - وهو جهاز يشبه البطارية ينتج الكهرباء من الهيدروجين والأكسجين - فإنه قادر على قيادة سيارة كهربائية أو شاحنة ولا ينبعث منه سوى الماء والحرارة كمنتجات ثانوية. يمكن للمركبات التي تعمل بخلايا الوقود أن تكون فعّالة بمرتين مقارنة بسيارات اليوم. ولهذا السبب، يمكن للهيدروجين أن يساعد في تقليل المشاكل البيئية والاجتماعية الملحة، بما في ذلك تلوث الهواء والمخاطر الصحية التي يسببها، وتغير المناخ العالمي والاعتماد على استيراد النفط الأجنبي.

ومع ذلك، فإن العقبات التي تحول دون تزويد السيارات بالهيدروجين هي عقبات كبيرة. وبمقارنة كيلوغرام مقابل كيلوغرام، يحتوي الهيدروجين على طاقة أكبر بثلاث مرات من البنزين، ولكن اليوم لا يزال من المستحيل تخزين الغاز بنفس الطريقة البسيطة والمضغوطة التي يمكن تخزين الوقود السائل العادي بها. إحدى المشاكل التقنية الأكثر تحديًا هي كيفية تخزين كمية كبيرة من الهيدروجين بكفاءة وأمان في السيارة بما يكفي للسماح بمسافة القيادة والأداء الذي اعتاد عليه السائقون. ولذلك يجب على الباحثين إيجاد "حل معجزة" للتخزين يلبي جميع المتطلبات: احتواء كمية كافية من الهيدروجين لقطع المسافة الدنيا المقبولة حاليًا بين عمليات التزود بالوقود - حوالي 500 كيلومتر؛ عدم سرقة المساحة من الركاب أو من الأمتعة؛ إطلاق الهيدروجين بمعدل تدفق يسمح بالتسارع على الطريق السريع؛ تعمل في نطاق درجات الحرارة العملية؛ اسمح بالتزود بالوقود أو الشحن في غضون دقائق قليلة وتلبية المنافسة السعرية. إن تقنيات تخزين الهيدروجين المتوفرة اليوم بعيدة كل البعد عن هذه الأهداف.

يبذل الباحثون في جميع أنحاء العالم، من صناعة السيارات، ومن الحكومة، ومن الأوساط الأكاديمية، الكثير من الجهد للتغلب على هذه القيود. إن اتفاقية تنفيذ استخدام الهيدروجين التابعة للوكالة الدولية للطاقة، الموقعة عام 1977، تتمحور حولها الآن أكبر مجموعة دولية تركز على تخزين الهيدروجين، تضم أكثر من 35 باحثًا من 13 دولة. وتضم الشراكة الدولية لاقتصاد الهيدروجين، التي تأسست عام 2003، 17 حكومة ملتزمة بتطوير تكنولوجيات الهيدروجين وخلايا الوقود. في عام 2005، أنشأت وزارة الطاقة الأمريكية المشروع الوطني لتخزين الهيدروجين، والذي يتضمن ثلاثة "مراكز للتميز" ومركزًا واسعًا للأبحاث الأساسية والتطبيقية يتم إجراؤه في العديد من المختبرات الصناعية والجامعية والفدرالية. وفي عام 2006 وحده، منح المشروع أكثر من 30 مليون دولار لتمويل حوالي 80 مشروعًا بحثيًا.

عوائق البنية التحتية

إحدى العقبات التي تحول دون اعتماد خلايا وقود الهيدروجين على نطاق واسع في السيارات والشاحنات هي الحجم الهائل للمهمة. تستهلك المركبات في الولايات المتحدة وحدها 1.45 مليار لتر من الوقود يوميًا (حوالي 530 مليار لتر سنويًا)، وهو ما يمثل حوالي ثلثي استهلاك الولايات المتحدة الوطني من النفط. ويأتي أكثر من نصف هذا النفط من دول أخرى. مما لا شك فيه، سيتعين على الولايات المتحدة استثمار رأس مال كبير في تحويل صناعة السيارات المحلية إلى إنتاج مركبات تعمل بخلايا الوقود، وفي تكييف نظام التكرير وشبكة التوزيع الواسعة للوقود مع نظام يمكنه التعامل مع كميات هائلة من الهيدروجين. . ويجب أن تصبح المركبات الجديدة نفسها رخيصة الثمن ومتينة بما يكفي للتنافس مع التكنولوجيا التقليدية دون المساس بالأداء. يتعين عليهم أيضًا التعامل مع ضمان السلامة والرأي العام السلبي طويل الأمد - لا يزال الناس يتذكرون كارثة المنطاد هيندنبورغ في عام 1937 ويربطونها بالهيدروجين، على الرغم من وجود أدلة موثوقة على أن غمد السفينة القابل للاشتعال كان في الواقع العامل الحاسم في إشعال النيران. لهب.

لماذا يصعب تخزين كمية كافية من الهيدروجين في المركبات؟ في درجة حرارة الغرفة والضغط الجوي، يكون الهيدروجين غازًا تكون كثافة طاقته أقل بثلاثة آلاف مرة من كثافة الوقود السائل. خزان وقود سعة 3,000 لترًا يحتوي على غاز الهيدروجين عند الضغط الجوي سيدفع المركبة العادية لمسافة 75 مترًا فقط. ولذلك، يجب على المهندسين زيادة كثافة الهيدروجين المخزن لإنشاء نظام تخزين فعال ومفيد في المركبات.

يعد الحد الأدنى لمسافة القيادة وهو 500 كيلومتر للتزود بالوقود أحد الأهداف التشغيلية الرئيسية لمشروع مشترك بين الحكومة والصناعة الأمريكية - FreedomCAR وشراكة الوقود - والذي يهدف إلى تطوير تقنيات متقدمة للمركبات المستقبلية. ويفترض المهندسون الذين يحسبون مثل هذه الحسابات أن لتر الوقود يعادل من حيث الطاقة ربع كيلوغرام من الهيدروجين. ولكن لأن الهيدروجين أكثر كفاءة، فإن السيارة التي تحتاج اليوم إلى 75 لترًا من الوقود لتقطع مسافة 500 كيلومتر على الأقل، لن تحتاج إلا إلى 8 كيلوغرامات من الهيدروجين إذا تحركت باستخدام خلايا الوقود. وستكون هناك نماذج ستحتاج إلى قدر أقل من الهيدروجين لقطع هذه المسافة، أو أكثر، اعتمادًا على نوع السيارة وحجمها. وفي الاختبارات التي أجريت حتى الآن، وصل 60 نموذجًا أوليًا من سيارات الهيدروجين من العديد من الشركات المصنعة إلى مسافات تتراوح بين 160 إلى 300 كيلومتر لكل خزان.

الباحثون، الذين يهدفون إلى الوصول إلى الأداء العملي بحلول عام 2010 (العام الذي تتوقع فيه العديد من الشركات طرح أول سيارات تعمل بخلايا الوقود اليمنى في السوق)، يقارنون أداء تقنيات التخزين المختلفة بهدف "وزن ستة بالمائة". . أي نظام تخزين يشغل فيه الهيدروجين 6% من وزنه الإجمالي. وفي نظام يبلغ وزنه الإجمالي 100 كيلوغرام (وزن معقول للمركبات)، فإن وزن الهيدروجين المخزن سيكون 6 كيلوغرامات. على الرغم من أن نسبة 6% لا تبدو نسبة كبيرة، إلا أنه من الصعب جدًا تحقيق هذا الهدف. أفضل نظام اليوم يحتوي على أقل من 2%، وهو مصنوع من مواد تخزين تعمل عند ضغوط منخفضة نسبيًا. سيكون الحفاظ على الحجم الإجمالي للنظام ضمن الحدود المقبولة لخزانات الوقود في السوق أكثر صعوبة، لأنه سيتم تخصيص معظم حجمه للخزانات والصمامات والأنابيب والمنظمات وأجهزة الاستشعار والعزل وكل شيء آخر مطلوب للتخزين 6 كيلوغرام من الهيدروجين. ولذلك، ينبغي للنظام الفعال أن يطلق الهيدروجين بمعدل سريع بما فيه الكفاية بحيث يتمكن الجمع بين خلايا الوقود والمحرك الكهربائي من توفير القوة والتسارع الذي يتوقعه السائق.

تحتوي على الهيدروجين

هناك عدة مئات من النماذج الأولية للمركبات التي تعمل بخلايا الوقود اليوم، ومعظمها يخزن غاز الهيدروجين في أسطوانات عالية الضغط، على غرار بالونات الغوص. لقد أنتجت تكنولوجيا طلاء ألياف الكربون المركبة أوعية قوية وخفيفة الوزن يمكنها أن تحتوي بشكل آمن على الهيدروجين عند ضغط يتراوح بين 350 و700 ضغط جوي [انظر الإطار في الأعلى]. ومع ذلك، فإن مجرد زيادة الضغط لا يؤدي إلى زيادة كثافة الطاقة بنفس النسبة. حتى عند ضغط 700 ضغط جوي، فإن أعلى كثافة طاقة يمكن تحقيقها اليوم في خزانات الضغط العالي (التي تخزن 39 جرامًا لكل لتر) تبلغ حوالي 15% من محتوى الطاقة للوقود في نفس الحجم. يمكن لأوعية الضغط العالي المتوفرة اليوم أن تحتوي فقط على حوالي 3.5% إلى 4% من الهيدروجين حسب الوزن. قدمت شركة فورد مؤخراً نموذجاً أولياً لسيارة رباعية الدفع متعددة الأغراض تسمى إيدج، تعمل بنظام متكامل من محرك هجين مشحون وخلايا الوقود. وتحمل المركبة خزان وقود يخزن 4.5 كيلوغرام من الهيدروجين عند ضغط 350 ضغط جوي ويصل المدى الأقصى الإجمالي إلى 320 كيلومترا.

يمكن تصور استخدام خزانات الضغط العالي في بعض تطبيقات النقل، مثل الحافلات وغيرها من المركبات الكبيرة، التي يسمح حجمها المادي بتخزين ما يكفي من الهيدروجين، ولكن ليس في السيارات الخاصة. كما أن سعر هذه الحاويات اليوم أعلى بـ 10 مرات من السعر التنافسي في سوق السيارات.

يمكن أن يؤدي تسييل الهيدروجين المخزن إلى تحسين كثافة الطاقة، لأنه يضغط كمية أكبر من الهيدروجين لكل وحدة حجم مقارنة بأي طريقة أخرى معروفة اليوم. مثل أي غاز، يتكثف الهيدروجين إلى سائل عند درجة حرارة منخفضة بدرجة كافية. عند الضغط الجوي، يتكثف الهيدروجين عند درجة حرارة تقل عن 253 درجة مئوية. تبلغ كثافة المادة للهيدروجين السائل 71 جرامًا لكل لتر، وتبلغ كثافة الطاقة فيه حوالي 30% من كثافة البنزين. تعتمد كثافة المواد التي تحققها هذه الأنظمة على الصمامات والعزل.

ومع ذلك، الهيدروجين السائل له عيوب كبيرة. أولاً، تتطلب درجة غليانها المنخفضة معدات تبريد عميقة واحتياطات خاصة للتعامل الآمن. وأيضًا بما أن الخزانات تعمل عند درجة حرارة منخفضة جدًا، فيجب أن يكون عزلها ممتازًا. وبصرف النظر عن ذلك، فإن تسييل الهيدروجين يستهلك طاقة أكبر من ضغطه تحت ضغط مرتفع. وهذا يزيد من سعر الوقود ويقلل من كفاءة الطاقة الإجمالية لعملية التجميد في درجات الحرارة المنخفضة.

ومع ذلك، تقوم إحدى شركات صناعة السيارات بإدخال هذه التكنولوجيا إلى الطريق. قدمت شركة BMW هذا العام سيارة تحمل اسم "هيدروجين 7" تتضمن محرك احتراق داخلي يمكنه حرق البنزين والسفر مسافة 500 كيلومتر أو حرق الهيدروجين السائل والسفر مسافة 200 كيلومتر. سيتم بيع السيارة في إصدار محدود لمجموعة مختارة من العملاء في الولايات المتحدة ودول أخرى، الذين لديهم إمكانية الوصول إلى محطات وقود الهيدروجين المحلية.

الضغط الكيميائي

وفي بحثهم عن طرق واعدة لزيادة كثافة الطاقة، قد يتمكن العلماء من استغلال كيمياء الهيدروجين نفسه. في حالة التجميع الغازية أو السائلة، يحتوي كل جزيء هيدروجين على ذرتين مرتبطتين ببعضهما البعض. ولكن عندما ترتبط ذرات الهيدروجين كيميائيًا ببعض العناصر الأخرى، يمكن ضغطها إلى كثافة أكبر من كثافة الهيدروجين السائل. الهدف الرئيسي للبحث الحالي في مجال تخزين الهيدروجين هو العثور على المواد القادرة على أداء هذه الحيلة.

ويركز بعض الباحثين على مجموعة من المواد تسمى هيدريدات الفلزات القابلة للانعكاس، والتي تم اكتشافها بالصدفة عام 1969 في مختبرات فيليبس أيندهوفن في هولندا. اكتشف الباحثون هناك أنه إذا تعرضت سبيكة من السماريوم والكوبالت لغاز الهيدروجين المضغوط، فإنها تمتص الهيدروجين، مثل الإسفنج الذي يمتص الماء. عندما تمت إزالة الضغط، تم إطلاق الهيدروجين من السبيكة، أو بمعنى آخر، كانت العملية قابلة للعكس.

وبعد هذا الاكتشاف، بدأت الأبحاث النشطة. وفي الولايات المتحدة الأمريكية، قادها العلماء جيمس رايلي من مختبر بروكهافن الوطني وجيري ساندروك من مركز إنكو للأبحاث والتطوير في سافران، نيويورك، الذين طوروا سبائك هيدريد ذات قدرة محسنة على امتصاص الهيدروجين. شكل عملهم الأولي الأساس لبطاريات هيدريد معدن النيكل (Ni-MH) المستخدمة بشكل شائع اليوم. يمكن أن تكون كثافة الهيدروجين في هذه السبائك عالية جدًا، حيث تزيد بنسبة 150% عن كثافة الهيدروجين السائل، وذلك لأن ذرات الهيدروجين موجودة داخل الشبكات المعدنية البلورية بين ذرات المعدن.
العديد من خصائص هيدريدات المعدن مناسبة تمامًا للاستخدام في المركبات. من الممكن تحقيق كثافة تتجاوز كثافة الهيدروجين السائل حتى عند ضغوط منخفضة نسبيًا تتراوح من 10 إلى 100 ضغط جوي. كما أن هيدريدات المعدن مستقرة بطبيعتها، لذا فهي لا تحتاج إلى طاقة إضافية للتخزين المستمر، على الرغم من أن الحرارة مطلوبة لإطلاق الغاز المخزن فيها. كعب أخيل الخاص بهم هو وزنهم الزائد للتخزين العملي في السيارات. حتى الآن، تمكن الباحثون في مجال هيدريد المعدن من تحقيق قدرة هيدروجينية قصوى تصل إلى 2% من الوزن الإجمالي للمادة. وتُترجم هذه السعة إلى نظام تخزين الهيدروجين الذي يبلغ وزنه 450 كيلوجرامًا (لمسافة قيادة تبلغ 500 كيلومتر) - وهو بلا شك ثقيل جدًا بالنسبة للسيارات اليوم، التي تزن حوالي 1,400 كيلوجرام.

تركز الأبحاث اليوم في مجال هيدريدات المعادن على المواد ذات قدرة الهيدروجين الطبيعية العالية. يقوم الباحثون بعد ذلك بتكييف هذه الهيدريدات لتلبية متطلبات أنظمة تخزين الهيدروجين: التشغيل عند درجة حرارة حوالي 100 درجة مئوية، وضغوط تتراوح من 10 إلى 100 ضغط جوي، ومعدل إطلاق يدعم التسارع العالي. في كثير من الحالات، تكون المواد ذات القدرة المفيدة للهيدروجين مستقرة جدًا إلى حد ما، وبالتالي فإن درجة الحرارة المطلوبة لتحرير الهيدروجين منها أعلى بكثير من المطلوب. المغنيسيوم، على سبيل المثال، يشكل هيدريد المغنيسيوم الذي يبلغ محتواه الهيدروجيني بالوزن 7.6%، ولكن يجب تسخينه إلى درجة حرارة 350 درجة مئوية حتى يتم إطلاق الهيدروجين. إذا كنت تريد أن يستخدم النظام بالفعل الحرارة الزائدة المنبعثة من مجموعة خلايا الوقود (حوالي 80 درجة مئوية) لتحرير الهيدروجين من هيدريد المعدن، فيجب أن تكون درجة الحرارة العتبية أقل.

هيدريدات غير مستقرة

يعكف الكيميائيان جون ج. أوهو، وجريجوري إل. أولسون، من مختبرات هيوز للأبحاث (HRL) في ماليبو، كاليفورنيا، بالإضافة إلى باحثين في أماكن أخرى، على استكشاف نهج متطور للتغلب على مشكلة درجة الحرارة. تجمع "الهيدريدات غير المستقرة" الخاصة بها بين عدة مواد لتغيير مسار التفاعل الكيميائي بحيث تطلق المركبات المتكونة الغاز عند درجات حرارة منخفضة.

الهيدريدات غير المستقرة هي جزء من مجموعة من المواد المحتوية على الهيدروجين تسمى الهيدريدات المعقدة. لفترة طويلة، اعتقد الكيميائيون أن العديد من هذه المركبات غير فعالة لتزويد المركبات بالوقود، لأنها غير قابلة للعكس - بمجرد إطلاق الهيدروجين وتحلل المركب، هناك حاجة إلى عملية إعادة تدوير لإعادته إلى حالته الطبيعية. تحتوي على الهيدروجين. ومع ذلك، أذهل الكيميائيان بوريسلاف بوجدانوفيتش ومانفريد شويكاردي من معهد ماكس بلانك لأبحاث الفحم في مولهايم بألمانيا مجتمع أبحاث الهيدريد في عام 1996 عندما أظهرا كيف يتحول مركب هيدريد ألانات الصوديوم إلى هيدريد قابل للعكس عند إضافة كمية صغيرة من التيتانيوم إليه. . وقد أدى هذا البحث إلى موجة من النشاط على مدى العقد الماضي. على سبيل المثال، يقوم مركب بوروهيدريد الليثيوم، الذي قام علماء HRL بزعزعة استقراره بإضافة هيدريد المغنيسيوم، بتخزين الهيدروجين في رابطة عكسية بمعدل حوالي 9٪ من وزنه ويطلقه عند درجة حرارة حوالي 200 درجة مئوية. وهذا تحسن جدير بالملاحظة، على الرغم من أن لا تزال درجة حرارة التشغيل مرتفعة جدًا ومعدل إطلاق الهيدروجين بطيء جدًا بالنسبة لتطبيقات السيارات. ومع ذلك، هذه دراسة واعدة.

على الرغم من القيود المفروضة على هذه الهيدريدات المعدنية، فإن العديد من شركات صناعة السيارات تعتبرها النهج الأكثر عملية لتخزين الهيدروجين منخفض الضغط في المستقبل القريب إلى المتوسط. على سبيل المثال، يخطط مهندسو تويوتا وهوندا لنظام في "نهج هجين" يجمع بين هيدريد المعدن الصلب عند ضغط معتدل (أقل بكثير من 700 ضغط جوي)، ويتوقعون أن يحقق نطاق سفر يزيد عن 500 كيلومتر في المرة الواحدة. التزود بالوقود. توظف شركة جنرال موتورز فرقًا من خبراء التخزين، بما في ذلك سكوت جورجينسن، الذين يدعمون الأبحاث التي يتم إجراؤها على مجموعة واسعة من أنظمة هيدريد المعادن في جميع أنحاء العالم (بما في ذلك روسيا وكندا وسنغافورة). وتتعاون جنرال موتورز أيضًا مع مختبرات سانديا الوطنية في الولايات المتحدة في دراسة مدتها أربع سنوات بميزانية قدرها 10 ملايين دولار لبناء نموذج أولي لنظام هيدريد معدني معقد.

ناقلات الهيدروجين

وهناك خيارات أخرى لتخزين الهيدروجين، تتمتع بقدرة واعدة على الأداء الجيد في السيارات، لكنها تعاني من عيب في مجال التزود بالوقود. وبشكل عام، تحتاج هذه الهيدريدات الكيميائية إلى إعادة تدوير المركب المستخدم صناعياً. يجب أن تتم مرحلة الدورة خارج السيارة. أي أنه بعد استخدام خزان الهيدروجين في السيارة، يجب جمع المنتجات الثانوية في محطة الخدمة وإعادة تدويرها في مصنع كيميائي. منذ أكثر من 20 عامًا، اختبر باحثون يابانيون هذا النهج باستخدام نظام ديكالين-نفثالين، على سبيل المثال. عندما تقوم بتسخين مركب ديكالين (ذو الصيغة C10H18)، فإنه يتحول في تفاعل كيميائي إلى النفثالين (مركب ذو رائحة نفاذة له الصيغة C10H8) ويطلق خمسة جزيئات هيدروجين مع تغيير طبيعة روابطه الكيميائية. يخرج غاز الهيدروجين ببساطة من تراجع السائل عندما يتحول إلى النفثالين. يؤدي تعرض النفثالين للهيدروجين تحت ضغط معتدل إلى عكس العملية. يتفاعل النفثالين مع الهيدروجين ويتحول إلى انحدار (حيث يكون محتوى الهيدروجين المنطلق 7.2% بالوزن). يبحث الكيميائيان آلان كوبر وجويدو باز من شركة Air Products and Chemicals في ألينتاون بولاية بنسلفانيا، في تقنية مماثلة تستخدم السوائل العضوية (القائمة على الهيدروكربون). ويعمل علماء آخرون، بما في ذلك إس. توماس أوتري وزملاؤه في المختبر الوطني لشمال غرب المحيط الهادئ في الولايات المتحدة، وأستاذ الكيمياء لاري جيه. ساندون من جامعة بنسلفانيا، على ناقلات هيدروجين سائلة جديدة، مثل الأمينوبوران، التي يمكنها تخزين كميات كبيرة من الهيدروجين. وإطلاقه في درجات حرارة معتدلة.

المواد المصممة

هناك طريقة أخرى لمشكلة تخزين الهيدروجين تركز على المواد الخفيفة ذات المساحة السطحية الكبيرة جدًا، والتي تلتصق بها (أو تمتز) جزيئات الهيدروجين. وكما قد تتوقع فإن كمية الهيدروجين التي يمكن تخزينها على أي سطح تتناسب مع مساحة سطح المادة. أدت التطورات الأخيرة في هندسة النانو إلى ظهور مجموعة متنوعة من المواد الجديدة ذات مساحة سطحية كبيرة، يصل بعضها إلى أكثر من 5,000 متر مربع لكل جرام من المادة (أو مساحة سطحية تبلغ 12 دونمًا في ملعقة صغيرة من المسحوق). تعتبر المواد المعتمدة على الكربون مثيرة للاهتمام بشكل خاص لأنها خفيفة، وقد تكون رخيصة الثمن، ومن الممكن إنشاء مجموعة متنوعة من الهياكل النانوية منها: أنابيب الكربون النانوية، وأشعة النانو (أنابيب تشبه الشعاع)، والفوليرين (جزيئات تشبه الكرة). ) والهوائيات الهوائية (المواد الصلبة عالية المسامية). يمكن للكربون المنشط، وهو مادة رخيصة نسبيًا، تخزين ما يصل إلى 5% من وزن الهيدروجين.

ومع ذلك، كل هذه الهياكل الكربونية لها قيود مشتركة. وتشكل جزيئات الهيدروجين روابط ضعيفة للغاية مع ذرات الكربون، وهذا يعني أن المواد ذات المساحة السطحية الضخمة يجب أن تبقى عند درجات حرارة قريبة من درجة حرارة النيتروجين السائل، أي 196 درجة مئوية تحت الصفر. وعلى النقيض من أبحاث الهيدريد، حيث يكافح الباحثون لخفض طاقة الرابطة الهيدروجينية، يبحث الباحثون في الكربون عن طرق لزيادة طاقة الرابطة عن طريق تغيير البنية أو عن طريق إضافة كميات صغيرة من المعادن التي قد تغير خصائص السطح. يقوم هؤلاء الباحثون بدراسة المحاكاة النظرية لهياكل الكربون لاكتشاف أنظمة واعدة لمزيد من الدراسة.

إلى جانب الأساليب المعتمدة على الكربون، هناك نهج رائع آخر في الهندسة النانوية يتعامل مع مجموعة من المواد تسمى المواد المعدنية العضوية. قبل بضع سنوات، اخترع عمر ياغي، أستاذ الكيمياء الذي كان في ذلك الوقت في جامعة ميشيغان في آن هاربور والآن في جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس، مركبات الإطار المعدني العضوي (MOFs). وأظهر ياغي وزملاؤه أنه من الممكن إنتاج هذا النوع من المواد البلورية وعالية المسامية من خلال ربط المركبات غير العضوية مع "الدعامات" العضوية. تتمتع مركبات MOF الناتجة ببنية ملفتة للنظر وخواص فيزيائية يمكن التحكم فيها لإعطاء المادة وظائف مرغوبة مختلفة ومتنوعة. وقد تكون المساحة السطحية لهذه الهياكل المعقدة كبيرة جدًا (تصل إلى 5,500 متر مربع لكل جرام)، ويستطيع الباحثون بناء مواقع كيميائية على سطحها من أجل الارتباط الأمثل للهيدروجين. حتى الآن، تمكن الباحثون من إثبات أن مركبات الأطر العضوية المعدنية قادرة على تخزين 7% وزنًا من الهيدروجين عند درجة حرارة 196 درجة مئوية تحت الصفر، ويواصلون العمل على تحسين هذا الأداء.

على الرغم من أن التقدم الحالي في طرق تخزين الهيدروجين أمر مشجع، فإن العثور على النهج "المثالي" قد يستغرق وقتًا طويلاً ويتطلب جهودًا مطولة ومبتكرة في مجال البحث والتطوير. لعدة قرون، ظل الوعد الأساسي - والتحدي - المتمثل في استخدام الهيدروجين في وسائل النقل دون تغيير تقريبًا. سمح تخزين الهيدروجين في حاوية خفيفة ومفيدة لجاك تشارلز بعبور السماء في منطاده في العقود الأخيرة من القرن الثامن عشر. وبالمثل، فإن العثور على خزان مناسب لتخزين الهيدروجين في السيارات سيسمح للناس بالتنقل في جميع أنحاء العالم في العقود المقبلة من القرن الحادي والعشرين، دون تلويث السماء فوقهم.

نظرة عامة/ تخزين الهيدروجين
إحدى أكبر العقبات التي تواجه مهندسي مركبات خلايا الوقود المستقبلية هي كيفية حشر ما يكفي من الهيدروجين في خزان الوقود للسماح للسيارة بالسفر لمسافة 500 كيلومتر على الأقل، كما يطلب السائقون.
عادة، يتم ضغط الهيدروجين في حاويات تحت ضغط مرتفع وفي درجة الحرارة المحيطة، ولكن الحاويات لا تحتوي على الكمية اللازمة من الغاز المضغوط. أنظمة الهيدروجين السائل، التي تعمل في درجات حرارة منخفضة للغاية، تعاني أيضًا من عيوب كبيرة.
ويجري حاليًا تطوير العديد من التقنيات البديلة لتخزين الهيدروجين عالي الكثافة، ولكن في الوقت الحالي، لا يوجد أي منها على مستوى التحدي.

تحدي تخزين الهيدروجين
يجب أن يحمل نظام تخزين الهيدروجين ما يكفي من الوقود للسفر مسافة 500 كيلومتر على الأقل، وأن يكون صغيرًا وخفيفًا بما يكفي لحمله في السيارة. وإذا قاموا بحلول عام 2010 بتطوير نظام يشغل فيه الهيدروجين 6% من وزنه ويتمكن من ضغط 45 جرامًا من الهيدروجين لكل لتر، فمن المحتمل أن يلبي متطلبات الجيل الأول من المركبات التي تعمل بخلايا الوقود (الهدف الأسود في الولايات المتحدة). الرسم البياني الأول). لا أحد من الأنظمة العاملة اليوم يصل إلى هذا المستوى. وبحلول عام 2015، ستكون هناك حاجة إلى أداء أفضل لأن تنوع المركبات التي ستكون متاحة حينها سيكون أوسع. تجدر الإشارة إلى أن القيم الموضحة في الرسم البياني تشمل أيضًا حجم المعدات اللازمة لتشغيل كل نظام. تبلغ كثافة الهيدروجين السائل النقي، على سبيل المثال، 71 جرامًا لكل لتر، ولكن عند تضمين الخزان والمعدات المساعدة، تنخفض السعة الحجمية إلى أقل بقليل من 40 جرامًا لكل لتر. وبما أن ماصات الهيدروجين لا تزال في مرحلة مبكرة من التطوير، فإن بيانات قدرتها وسعرها غير متوفرة.

عن المؤلفين
تعمل سونيتا ساتيابال، وجون بيتروفيتش، وجورج توماس في برنامج البحث التطبيقي والتطوير لتقنيات تخزين الهيدروجين في وزارة الطاقة الأمريكية. ستيابال، الذي شغل مناصب مختلفة في الأوساط الأكاديمية والصناعة، هو مدير فريق البحث والتطوير لتخزين الهيدروجين التطبيقي في وزارة الطاقة. بتروفيتش هو عضو (متقاعد) في المختبر الوطني الأمريكي في لوس ألاموس، ومستشار لوزارة الطاقة وعضو في الجمعية الأمريكية للمواد السيراميكية والجمعية الأمريكية الدولية للمواد. يتمتع توماس، الذي يعمل حاليًا مستشارًا لوزارة الطاقة، بخبرة 30 عامًا في دراسة تأثيرات الهيدروجين على المعادن في مختبرات سانديا الوطنية في الولايات المتحدة. الآراء الواردة في المقال هي آراء المؤلفين فقط؛ وهي لا تعكس مواقف وزارة الطاقة الأمريكية.

والمزيد حول هذا الموضوع

الهيدروجين
الاقتصاد: الفرص والتكاليف والعوائق واحتياجات البحث والتطوير. المجلس القومي للبحوث والأكاديمية الوطنية للهندسة. مطبعة الأكاديميات الوطنية، 2004.
www.nap.edu/
catalog.php?record-id=10922

برنامج الهيدروجين: إجراءات مراجعة الجدارة السنوية لعام 2006. وزارة الطاقة الأمريكية.
www.الهيدروجين
.energy.gov/annual-review06-proceedings.html

المجلس الأمريكي لأبحاث السيارات: www.uscar.org

اتفاقية تنفيذ الهيدروجين التابعة لوكالة الطاقة الدولية: www.ieahia.org

الشراكة الدولية لاقتصاد الهيدروجين: www.iphe.net