قام باحثون من مركز أبحاث حدود الطاقة في جامعة نورث كارولاينا تشابل هيل ببناء نظام يُزعم أنه قادر على تحويل طاقة الشمس إلى وقود هيدروجيني.
“قال الباحث الرئيسي توم ماير، الأستاذ الفخري للكيمياء في كلية الآداب والعلوم بجامعة UNC: ‘تُعدّ أنواع الوقود الشمسي مثل الهيدروجين حلاً لكيفية تخزين الطاقة لاستخدامها ليلاً، مستلهمين ذلك من عملية التمثيل الضوئي الطبيعي. قد توفر نتائجنا الجديدة القطعة الأخيرة الكبرى في أحجية طريقة جديدة لتخزين طاقة الشمس—وقد تكون نقطة تحول نحو مستقبل طاقة شمسية متجدد.”
أُطلق على النظام الجديد اسم خلية التحليل الكهربائي الضوئي المُحسَّسة بالصبغة (DSPEC)، وقد صممه ماير وزملاؤه في جامعة UNC ومجموعة غريغ بارسونز في جامعة ولاية كارولاينا الشمالية، وهو يولد وقود الهيدروجين باستخدام طاقة الشمس لتفكيك الماء إلى مكوناته الأساسية. وبعد التفكيك، يتم عزل الهيدروجين وتخزينه، بينما يُطلق الأكسجين الناتج في الهواء.
“قال ماير في بيان: ”لكن تفكيك الماء أمرٌ صعب للغاية. فأنت بحاجة إلى إزالة أربع إلكترونات من جزيئتي ماء، ونقلها إلى مكان آخر، ثم إنتاج الهيدروجين، وبمجرد إتمام ذلك، يجب الحفاظ على فصل الهيدروجين والأكسجين. إن تصميم جزيئات قادرة على القيام بذلك يمثل تحدياً كبيراً بدأنا نتغلب عليه.”
يُذكر أن تصميم ماير يتكون من مكونين أساسيين: جزيء وجسيم نانوي. يمتص الجزيء، وهو عبارة عن تجميع صباغي-محفز، ضوء الشمس ويُفعّل المحفز لسحب الإلكترونات من الماء. أما الجسيم النانوي، الذي تُربط به آلاف التجمعات الصباغية-المحفزة، فهو جزء من طبقة من الجسيمات النانوية التي تنقل الإلكترونات بعيداً لإنتاج الهيدروجين.
وفقًا لجامعة UNC-تشابل هيل، حتى مع أفضل المحاولات، كان النظام يتعطل دائمًا إما لأن التجمع الصباغي-المحفز كان ينفصل عن الجسيمات النانوية، أو لأن الإلكترونات لم تستطع النقل بسرعة كافية لإنتاج الهيدروجين.
لحل هذين المشكلتين، لجأ ماير إلى مجموعة بارسونز في جامعة NCSU لاستخدام تقنية تغطي الجسيم النانوي بطبقة رقيقة من ثاني أكسيد التيتانيوم.
من خلال استخدام طبقات رقيقة جدًا، اكتشف الباحثون أن الجسيم النانوي يستطيع نقل الإلكترونات بسرعة أكبر بكثير مما كان عليه سابقًا، مع توفر الإلكترونات المحررة لإنتاج الهيدروجين. كما توصلوا إلى كيفية بناء طبقة واقية تُبقي التجمع الصباغي-المحفز مرتبطًا بإحكام بالجسيم النانوي، مما يضمن بقاء التجمع على السطح.
مع تدفق الإلكترونات عبر الجسيم النانوي واستقرار الرابطة، أصبح بإمكان نظام ماير الجديد تحويل طاقة الشمس إلى وقود دون الحاجة إلى طاقة خارجية تقريبًا للتشغيل.
البنية التحتية اللازمة لتركيب محولات تحويل ضوء الشمس إلى وقود باتت في متناول اليد استنادًا إلى التكنولوجيا الحالية. والهدف القادم هو استخدام نفس النهج للحد من ثاني أكسيد الكربون إلى وقود قائم على الكربون مثل الفورمات أو الميثانول.
“When you talk about powering a planet with energy stored in batteries, its just not practical,” Meyer said.”It turns out that the most energy dense way to store energy is in the chemical bonds of molecules. And thats what we did–we found an answer through chemistry.”
