الشمس، الماء، الوقود

طريقة الإنتاج التي تم تطويرها في التخنيون توفر "حقنة الطاقة" لإنتاج وقود الهيدروجين باستخدام الطاقة الشمسية. المنتج الثانوي الوحيد المنبعث في البيئة هو الماء

دراسة أجريت في التخنيون في العام الماضي قد تعطي دفعة كبيرة لاستخدام وقود الهيدروجين النظيف والمتجدد. وتم نشر البحث، الذي أجراه الدكتور جدعون سيغيف في كلية علوم وهندسة المواد، في مجلة Advanced Energy Materials، ثالث أهم مجلة في مجالات الطاقة والوقود. الدكتور سيغيف، طالب ما بعد الدكتوراه في مجموعة أبحاث البروفيسور أفنير روتشيلد، أكمل درجتي الماجستير والماجستير في جامعة تل أبيب، ويعمل حاليًا على تطوير طرق لتحليل المياه باستخدام الطاقة الشمسية.

تسارعت وتيرة تطوير مصادر الطاقة المتجددة والمستدامة في السنوات الأخيرة، بسبب التقلبات الحادة في أسعار النفط، وتزايد الوعي بالتلوث، والآثار البيئية المدمرة الناجمة عن استخدام الوقود الهيدروكربوني. وغاز الهيدروجين هو وقود لكل شيء، وقد يحل محل الوقود الهيدروكربوني دون الإضرار بالبيئة لأن ناتج احتراقه هو الماء.

وعلى الرغم من ذلك، فإن تكنولوجيا إنتاج الهيدروجين لا تزال في مهدها بسبب القيود التي لم يتم حلها بعد. وعلى عكس الوقود الهيدروكربوني الذي يتم إنتاجه بسهولة من المعادن الطبيعية مثل الفحم والنفط والغاز الطبيعي، يجب إنتاج الهيدروجين من مواد أخرى، مثل الماء، التي تحتوي على الهيدروجين كجزء من تركيبها الكيميائي. إن عملية إنتاج الهيدروجين مكلفة، لأن كسر الروابط الكيميائية في المادة الأولية (الماء) يستهلك الكثير من الطاقة. هناك صعوبة أخرى تتمثل في تخزين غاز الهيدروجين.

ويصف البحث المنشور الآن طريقة قد تحسن بشكل كبير عملية إنتاج الهيدروجين من مصادر متجددة، أي من الماء والطاقة الشمسية. "إن الطاقة اللازمة لتحليل الماء لإنتاج الهيدروجين تأتي من الشمس"، يوضح الدكتور سيغيف، "ونحن نبحث على وجه التحديد في استخدام الطاقة الشمسية المركزة لهذا الغرض. وهذا يعني أنه بدلاً من أن تمتص كل خلية شمسية الإشعاع الصغير الذي يصل إليها، فإنها تتلقى جرعة كبيرة من الإشعاع يتم تركيزها عليها من خلال المرايا والعدسات.
من المعروف اليوم أن الإشعاع المركز لا يزيد فقط من إجمالي الطاقة التي تصل إلى الخلية ولكن أيضًا من كفاءة الخلية، أي أنه يتم استخدام كل فوتون من الضوء بشكل أفضل. يكشف البحث الذي يتم نشره الآن أن هذه الظاهرة، والتي توجد أيضًا في الخلايا الشمسية "العادية"، تكون أكثر دراماتيكية عندما يتعلق الأمر بالخلايا الكهروكيميائية الضوئية التي تحلل الماء إلى هيدروجين وأكسجين. وأضاف: "تتيح هذه التقنية الاستخدام الأمثل لأشعة الشمس خلال النهار لتكوين الهيدروجين، واستخدام الطاقة الهيدروجينية خلال ساعات الظلام أو في أي وقت آخر. بمعنى آخر، هنا أيضاً حل لمشكلة تخزين الطاقة الشمسية التي تتغير بطبيعتها أثناء النهار والليل.

الصدأ الجيد

ترسل الشمس إلى الأرض، كل ساعة، طاقة تعادل الاستهلاك السنوي من الكهرباء لسكان العالم. ولذلك فهو مصدر طبيعي للطاقة والذي سيحل مع مرور الوقت محل الوقود المعدني (الفحم والنفط والغاز الطبيعي). إن الاعتماد على الوقود المعدني يفرض ثمناً باهظاً من التلوث والأمراض وتدمير الطبيعة والبيئة، فضلاً عن ثمن اجتماعي واقتصادي ينبع من حقيقة أن هذه المعادن مملوكة، في معظمها، لعدد قليل من الناس. والشركات الخاصة. ومن ناحية أخرى، فإن مصادر الطاقة المتجددة مثل الشمس والرياح متاحة لكل رائد أعمال، وينطبق الشيء نفسه على الهيدروجين الناتج عن تجزئة المياه باستخدام الطاقة الشمسية.

لعقود من الزمن، تم اختبار مواد مختلفة كمرشحة لإنتاج الأقطاب الكهربائية الضوئية لتقسيم المياه لإنتاج الهيدروجين. هذه المواد مطلوبة للوفاء بالعديد من الشروط الضرورية: يجب أن تمتص الإشعاع الشمسي بكفاءة؛ يجب عليهم تفكيك الماء بشكل فعال؛ ويجب ألا ينهاروا هم أنفسهم في الماء. وبالإضافة إلى ذلك، من المرغوب فيه للغاية أن تكون متاحة ورخيصة الثمن. في أطروحة الدكتوراه للدكتور تشين دوتان، وتحت إشراف البروفيسور روتشيلد، أظهر دوتان أن محاصرة الضوء في طبقات نانومترية من أكسيد الحديد ("الصدأ") يؤدي إلى التحلل الفعال للمياه وإنشاء الهيدروجين والأكسجين. ويكون الصدأ ثابتاً في الماء ولا تتغير خواصه أثناء تحلله.
وتعزز الدراسة الحالية الاكتشاف السابق وتفتح طريقة جديدة لمزيد من تحسين الخلايا الشمسية القائمة على أكسيد الحديد. تم إجراء البحث، بتمويل من مجلس الأبحاث الأوروبي (ERC)، في الغالب في مختبر الهيدروجين في التخنيون، الذي تم إنشاؤه بمساعدة تبرع سخي من مؤسسة أديليس، وكذلك من ميزانية المركز الإسرائيلي للأبحاث. التميز في أبحاث الوقود الشمسي.

رابط لهذه المادة