طور العلماء “أوراقًا اصطناعية” عائمة تحول الماء وأشعة الشمس إلى وقود نظيف، وقد يتمكنون في يوم من الأيام من إجراء عمليات واسعة النطاق في البحر.

ابتكر باحثون من جامعة كامبريدج أدوات رفيعة ومرنة مستوحاة من عملية التمثيل الضوئي، وهي العملية التي تحول النباتات من خلالها ضوء الشمس إلى طعام. حيث يمكن استخدام الأدوات المستقلة ذاتيًا ذات التكلفة المنخفضة لتوفير بديل مستدام للبترول دون شغل مساحة على الأرض، لأنها خفيفة بما يكفي لتطفو.

أثبتت الأوراق خفيفة الوزن في تجارب خارجية بنهر كام (River Cam) – وهو النهر الرئيسي الذي يمر عبر كامبريدج في شرق إنجلترا – أنها تستطيع تحويل ضوء الشمس إلى وقود بنفس فعالية أوراق النبات. حيث أُجري الاختبار بالقرب من مواقع كامبريدج المعروفة مثل جسر سايز (The Bridge of Sighs)، ومكتبة ورين (The Wren Library)، وكنيسة كلية الملك (King’s College Chapel).

هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها توليد وقود نظيف على الماء. ويمكن استخدام الأوراق الاصطناعية في الممرات المائية الملوثة أو في الموانئ أو حتى في البحر إذا تم توسيع نطاقها، مما سيقلل بشكل فعال من اعتماد صناعة الشحن في العالم على الوقود الأحفوري. نُشرت النتائج في مجلة Nature.

في السنوات الأخيرة، انخفضت أسعار تقنيات الطاقة المتجددة، مثل الرياح والطاقة الشمسية بشكل كبير وأصبحت أكثر توافرًا. وعلى الرغم من حقيقة أن أكبر التحديات التي تواجه بعض القطاعات، مثل الشحن، هي إزالة الكربون، حيث إن ما يقارب من 80٪ من التجارة العالمية تنقلها سفن الشحن التي تعمل بالوقود الأحفوري، إلا أن هذا القطاع لم يحظَ باهتمام كبير في المناقشات المتعلقة بأزمة المناخ.

سعى فريق كامبريدج البحثي للبروفيسور إروين ريزنر إلى معالجة هذه المشكلة لعددٍ من السنوات من خلال تطوير بدائل مستدامة للبنزين تستند إلى مبادئ التمثيل الضوئي؛ حيث قام الفريق بتطوير ورقة اصطناعية في عام 2019 تنتج الغاز المركب (synthesis gas) من الماء وثاني أكسيد الكربون وأشعة الشمس. والجدير بالذكر أن Syngas (synthesis gas) هو وسيط رئيسي في إنتاج العديد من المواد الكيميائية والمستحضرات الصيدلانية.

حيث في الإصدار السابق من هذا المنتج، دُمج اثنان من ماصات الضوء مع المحفزات المناسبة لصنع البنزين. ومع ذلك، فقد تضمنت ركائز زجاجية سميكة وطلاءات مقاومة للرطوبة، مما زاد من ثقل الجهاز.

ووفقًا للدكتور فيرجيل أندريه، المؤلف الرئيسي المشارك من قسم يوسف حميد للكيمياء في كامبريدج: “قد تقلل الأوراق الاصطناعية بشكل كبير من تكلفة إنتاج الوقود المستدام، ولكن نظرًا لأنها ثقيلة وحساسة، فمن الصعب إنتاجها على نطاق واسع ونقلها”.

أما ريزنر، الذي قاد الدراسة، فقال: “أردنا اكتشاف مدى قدرتنا على تقليل المواد التي تستخدمها هذه الأدوات دون المساس بفعاليتها”، وأضاف: ” إذا تمكنا من تقليل المواد إلى درجة تكون فيها خفيفة بما يكفي لتطفو، فإنها تفتح تطبيقات جديدة تمامًا لاستخدام هذه الأوراق الاصطناعية”.

وقد استلهم العلماء من صناعة الإلكترونيات تقنية تقليل الحجم، وذلك لتطوير النسخة الجديدة من الورقة الاصطناعية؛ حيث أدت هذه التقنيات إلى إنشاء هواتف ذكية وشاشات مرنة، مما أحدث ثورة في هذا المجال.

واجه فريق كامبريدج البحثي تحديًا في معرفة كيفية وضع أداة تمتص الضوء على الأسطح الرقيقة مع حمايتها أيضًا من تسرب المياه؛ حيث استخدم الباحثون للتغلب على هذا التحدي أكاسيد المعادن ذات الأغشية الرقيقة والبيروفسكايت – وهي مواد يمكن طلاؤها على رقائق بلاستيكية ومعدنية مرنة – ووُضعت طبقة طلاء كربوني مقاوم للماء والذي لا يتجاوز سمكه مايكرومتر على أسطح الأجهزة لحمايتها من التلف الناتج عن الرطوبة. وكان المنتج النهائي عبارة عن جهاز يشبه الورقة الحقيقية ويعمل على النحو المنشود.

من أجل أتمتة تصنيع الوقود الشمسي وتوسيع نطاقه، أضاف أندريه: “يثبت هذا العمل أن الأوراق الاصطناعية متوافقة مع تقنيات التصنيع الحديثة. وتجمع هذه الأوراق بين مزايا تقنيات الوقود الشمسي، لأنها تحقق خفة الوزن للمسحوق الماص للصدمات والأداء العالي للأنظمة السلكية”.

نجحت الأوراق الاصطناعية الجديدة في فصل الماء إلى هيدروجين وأكسجين أثناء الاختبارات، ويمكنها أيضًا تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى غاز مركب (Syngas). يقول العلماء إن هذا الاكتشاف يفتح آفاقًا جديدة تمامًا لأبحاثهم، على الرغم من الحاجة إلى إجراء المزيد من التحسينات قبل أن تكون مناسبة للاستخدامات التجارية.

وأضاف أندريه: “أننا نتوقع مزارع لتصنيع الوقود مشابهة لمزارع الطاقة الشمسية التي تزداد شعبية لإنتاج الكهرباء، حيث يمكن إمداد الجزر النائية، والمدن الساحلية، والبرك الصناعية به، أو تغطية قنوات الري لمنع تبخر المياه”.

ووفقًا لريزنر، فإن نقل الإنتاج إلى المياه المفتوحة من شأنه أن يمنع تضارب الطاقة النظيفة واستخدام الأراضي، لأن العديد من تقنيات الطاقة المتجددة، بما في ذلك تقنيات الوقود الشمسي، يمكن أن تشغل مساحات كبيرة على الأرض. إذن من الناحية النظرية، يمكنك حمل هذه الأدوات وتثبيتها في أي مكان تقريبًا بأي دولة تقريبًا، مما سيساعد أيضًا في أمن الطاقة.

المصدر: https://scitechdaily.com

ترجمة: هاجر زميع

تويتر: @ThisisHajar_az

مراجعة وتدقيق: زينب محمد