قام فريق من جامعة أريزونا بتطوير طريقة جديدة لفصل الماء لإطلاق الهيدروجين باستخدام ضوء الشمس واليوريا والأسلاك النانوية. وقد تكون هذه الطريقة جاهزة خلال السنوات المقبلة.
كيفية فصل الماء إلى هيدروجين وأكسجين
قال الباحثون إن الطريقةً الجديدة تعتمد على تسخير ضوء الشمس ومواد متخصصة لفصل الماء إلى هيدروجين وأكسجين بكفاءة ونظافة.
وإذا تم تطبيق هذه الطريقة على نطاق واسع، فقد تكون هناك نقلة نوعية في توفير وقود محمول ونظيف وغني بالطاقة للمستقبل.
حيث يوفر الهيدروجين بديلًا نظيفًا ومستدامًا للوقود الأحفوري. ليصبح عنصرًا رئيسيًا في مزيج الطاقة المستقبلي للعديد من الدول. مع ذلك، يتم إنتاجه حاليًا بواسطة:
- استخدام الألواح الشمسية لتوليد الكهرباء.
- التحليل الكهربائي للماء، وهو أمرٌ مكلف للغاية وغير فعال.
وقد استخدام فريق جامعة “أريزونا” ضوء الشمس مباشرة لفصل الماء. وهذا باستخدام طاقة أقل وقد يكون أقل تكلفة بكثير.
ويوضح الفريق أن ذلك يتحقق من خلال استخدام مبتكر لليوريا “مادة كيميائية شائعة ورخيصة تتواجد غالبًا في الأسمدة والبول. وتحويلها إلى مادة تسمى “نتريد الكربون” باستخدام الحرارة وهذا ما يسميه العلماء “بلمرة التكثيف الحراري”.
يوضح الفريق أن “نتريد الكربون” يمتص ضوء الشمس بسهولة. هذا يمنح إلكتروناته طاقة إضافية يقوم بإطلاقها. تاركًا وراءه ثغرات حيث كانت الإلكترونات موجودة.
في الفيزياء، نُسمّي هذه القطع المتحركة أزواج الإلكترونات والفجوات وهي في الأساس حزم صغيرة من الطاقة. عادةً، تتحد هذه الإلكترونات والفجوات بسرعة وتعمل على إلغاء بعضها بعضًا.
ولكن عند إضافة ثاني أكسيد التيتانيوم فإنه يتفاعل مع “نتريد الكربون”. هذا يجعل الإلكترونات نشطة، والفجوات منفصلة لفترة كافية لتكون مفيدة.
بدورها، تتفاعل هذه الإلكترونات مع البروتونات “من الماء” مُنتجةً غاز الهيدروجين “H₂”. من ناحية أخرى، تتفاعل الفجوات مع أيونات الهيدروكسيل “أيضًا من الماء” منتجةً غاز الأكسجين “O₂”.
الماء الجاف
من أهم مزايا طريقة جامعة ألبرتا الجديدة إمكانية عملها في الأيام الغائمة والمشمسة على حد سواء. ويتحقق ذلك باستخدام أسلاك نانوية قادرة على التقاط ضوء الشمس من زوايا مختلفة. لا يحتاج النظام إلى بطاريات تخزين كبيرة، حيث إن غاز الهيدروجين المنتج بنفسه يخزن الطاقة للنقل.
ووفقًا تقرير موقع interestingengineering، فإنه من الناحية النظرية، فإن هذه العملية أكثر مراعاةً للبيئة، إذ إنّ تصنيع الألواح الشمسية السيليكونية “التقنية السائدة حاليًا” ملوث ويستهلك كميات كبيرة من الطاقة. تستخدم الطريقة الجديدة موادّ وفيرة ومنخفضة التكلفة، دون تسخين شديد أو تلويث كبير.
فيما كان يتم استخدام ألواح شمسية لتوليد الكهرباء، ثم استخدام الكهرباء لإجراء ما أسماه العلماء بفصل الماء الجاف من خلال التحليل الكهربائي ويؤدي هذا إلى فقدان قدر كبير من الطاقة. بينما يتم استخدام ضوء الشمس مباشرةً لتوليد الهيدروجين أكثر كفاءة بكثير.
قد يفتح هذا أيضًا آفاقًا لتحسين استقلالية الطاقة. إذ يأتي معظم السيليكون العالمي حاليًا من الصين وروسيا. ويمكن لطريقة لهذه أن تساعد دولًا أخرى على إنتاج طاقة نظيفة باستخدام مواردها الخاصة.
في المرحلة القادمة، أشار الفريق إلى أنهم يدرسون استخدام الميلامين بدلاً من اليوريا في هذه العملية. كما أشاروا إلى إمكانية تعديله لإنتاج الهيدروجين من الميثانول.
مع أنها ليست نظيفة كالماء، إلا أنها مفيدة في بعض الحالات. ويأملون أن تكون جاهزة للاستخدام التجاري الواسع خلال ثلاث إلى خمس سنوات.