طريقة مبتكرة لزيادة كفاءة إنتاج الوقود الهيدروجيني

الوقود الهيدروجيني Hydrogen fuel، هو وقود خالي من الانبعاثات الضارة التي تحرق مع الأكسجين. يستخدم في خلايا الوقود أو محرقات الاحتراق الداخلي . يَعِد اختيارنا للوقود الهيدروجيني الخالي من الانبعاثات الضارة بالبيئة والمناخ بمستقبل نتمكن فيه من تقليل اعتمادنا على الوقود الأحفوري، ويتحقق ذلك فقط عندما نكتشف وسيلةً لإنتاجه بتكاليف رخيصة، دون الحاجة إلى كمية هائلة من مُدخلات الطاقة. وجد العلماء طريقةً لإنتاج الوقود الهيدروجيني انتاجًا فعالًا من طريق استخدام ظاهرة الصدأ، إضافةً إلى مصدر ضوئي.

متطلبات عملية الإنتاج

تتطلب عملية الإنتاج الجديدة القليل فقط من المكونات الأساسية، وهي الضوء من مصباح الزئبق والزينون، ومحلول من الماء والميثانول (الكحول الميثيلي)، ونوع محدد من الصدأ (أكسيد الحديد) يُعرف باسم أكسيد-هيدروكسيد الحديد الثلاثي. في دراسة جديدة، استعرض الباحثون كيفية إنتاج هذا النظام كمية هيدروجين تزيد 25 ضعفًا عمّا تُنتجه الأنظمة المتبعة حاليًّا، التي تستخدم ثاني أكسيد التيتانيوم محفزًا للتفاعل.

أحد أكبر التحديات في عملية إنتاج الوقود الهيدروجيني هو فصل ذرات الهيدروجين عن باقي الجزيئات، وإبقاؤها بعيدةً تفاديًا لحصول انفجار.

في النظام الجديد، باستبدال الصدأ بالتيتانيوم، مُنع غاز الهيدروجين المتولد من الاندماج مجددًا بالأكسجين، ما ساهم في فصل العنصرين، والحد من خطر حدوث انفجار.

تجاوز العقبات

كانت قابلية الهيدروجين الكبيرة للاشتعال إحدى العقبات التي واجهت انتشار استخدام الوقود الهيدروجيني على نطاق واسع، وكانت العقبة الأخرى أن فصل الهيدروجين عن مركباته (كالماء أو الميثان) يتطلب عادةً طاقةً أكبر من أن تكون التقنية قابلة للتطبيق عمليًّا.

يقول كينيتشي كاتسوماتا، عالم المواد بجامعة طوكيو للعلوم: “لقد فوجئنا حقًّا بتولُّد الهيدروجين باستخدام هذا المحفز، لأنه من غير المألوف إجراء اختزال معظم أكاسيد الحديد باستخدام الهيدروجين، لذلك بحثنا عن الشرط المؤدي لتنشيط أكسيد الحديد المستخدم، وتبين أن الأكسجين كان عاملًا بالغ الأهمية في هذا التنشيط، وكانت تلك المفاجأة الثانية، إذ أظهرت دراسات عديدة أن الأكسجين يكبح إنتاج الهيدروجين لأنه يضم الإلكترونات النشطة إلى ذراته”.

محفزات إنتاج الهيدروجين

وبجانب كون هذا النوع من الصدأ أكثر شيوعًا وأرخص من باقي المعادن المستخدمة عادةً بوصفها محفزات لإنتاج الهيدروجين، فهو أيضًا مستقر للغاية، إذ تمكن الباحثون من إجراء 400 ساعة من التجارب المخبرية الناجحة، وهو أمر غير معتاد.

ولأن مصدر الهيدروجين في هذه الحالة هو النفايات العضوية البسيطة (كالميثان)، فإن النهج الجديد قد يحدث فارقًا حقيقيًّا في أنظمة الطاقة، بتقديم عملية لإنتاج الهيدروجين تحقق إنتاجًا أعلى وتتطلب مدخلات أقل.

إن الناتج الثانوي لاحتراق الوقود الهيدروجيني -سواء داخل محركات السيارات أو في محطات توليد الطاقة الكهربية- هو الماء. تمدنا التقنية الجديدة بمصدر ثوري للطاقة، وهو أمر يبحث فيه العلماء جاهدين، لتوليد الهيدروجين باستخدام الموارد الطبيعية الوفيرة كالماء وأشعة الشمس.

نجاح الاختبارات

شهدنا سابقًا نجاح اختبارات العديد من المحفزات في السنوات الأخيرة، ما يمنح الخبراء سُبلًا عدة للاستكشاف، لكن الحصول عليها بقيمة تجارية مقبولة ما زال صعب المنال.

تمثل الدراسة الأخيرة نقلةً نوعية في تقنية إنتاج الوقود الهيدروجيني، لكن سيتطلب الأمر الكثير من الأبحاث قبل أن نتمكن من تشغيل سياراتنا بالهيدروجين. ومن بين النواحي التي ينوي الفريق استقصاءها تاليًا، سبب الأهمية الحاسمة للأكسجين في عملية الإنتاج، إذ فشلت التجربة عند إزالته من المحفز.

يقول كاتسوماتا: «لم نكتشف بعد الدور المحدد الذي يلعبه الأكسجين في تنشيط أكسيد الحديد المستحَث ضوئيًّا، لذلك، سيكون التحدي القادم لنا هو فهم آلية التنشيط هذه».

المصدر: ibelieveinsci