ابتكر المهندسون الكيميائيون في مدرسة الفنون التطبيقية في لوزان ورقة اصطناعية تعمل بالطاقة الشمسية، مبنية على قطب كهربائي جديد شفاف ومسامي.

الورقة الاصطناعية قادرة على جمع المياه من الغلاف الجوي لتحويلها إلى وقود هيدروجين، هذه التكنولوجيا القائمة على أشباه الموصلات قابلة للتطوير وسهلة التحضير.

كان الجهاز الذي يمكنه تجميع المياه من الهواء وتوفير وقود الهيدروجين الذي يعمل بالكامل بالطاقة الشمسية حلما للباحثين منذ عقود.

الآن، قام المهندس الكيميائي كيفن سيفولا وفريقه في مختبر EPFL بخطوة مهمة نحو تقريب هذه الرؤية من الواقع.

طور الفريق نظاما مبتكرا وبسيطا يجمع بين التكنولوجيا القائمة على أشباه الموصلات والأقطاب الكهربائية الجديدة التي لها خاصيتان رئيسيتان: أنها مسامية، لزيادة التلامس مع الماء في الهواء؛ وشفافة، لتعظيم التعرض لأشعة الشمس لطلاء أشباه الموصلات.

عندما يتعرض الجهاز ببساطة لأشعة الشمس، فإنه يأخذ الماء من الهواء وينتج غاز الهيدروجين.

الاختراع الرئيسي هو الأقطاب الكهربائية الجديدة لنشر الغاز، والتي تتميز بالشفافية والمسامية والموصلة، مما يمكّن هذه التكنولوجيا التي تعمل بالطاقة الشمسية من تحويل الماء في حالته الغازية من الهواء إلى وقود هيدروجين.

قال كيفن سيفولا من مختبر EPFL للهندسة الجزيئية للمواد النانوية الكهروضوئية والباحث الرئيسي في الدراسة، "لتحقيق مجتمع مستدام، نحتاج إلى طرق لتخزين الطاقة المتجددة كمواد كيميائية يمكن استخدامها كوقود ومواد أولية في الصناعة. الطاقة الشمسية هي أكثر أشكال الطاقة المتجددة وفرة، ونحن نسعى جاهدين لتطوير طرق تنافسية اقتصاديا لإنتاج الوقود الشمسي".

من أين جاءت الفكرة لفريق البحث؟

في بحثهم عن الوقود المتجدد الخالي من الأحافير، استوحى مهندسو EPFL بالتعاون مع Toyota Motor Europe الإلهام من الطريقة التي تستطيع بها النباتات تحويل ضوء الشمس إلى طاقة كيميائية باستخدام ثاني أكسيد الكربون من الهواء.

يحصد النبات بشكل أساسي ثاني أكسيد الكربون والماء من بيئته، ومع التعزيز الإضافي للطاقة من ضوء الشمس، يمكنه تحويل هذه الجزيئات إلى سكريات ونشويات، وهي عملية تُعرف باسم التمثيل الضوئي، ويتم تخزين طاقة ضوء الشمس في شكل روابط كيميائية داخل السكريات والنشويات.

تعمل أقطاب انتشار الغاز الشفافة التي طورها سيفولا وفريقه، عند تغطيتها بمادة أشباه الموصلات الخفيفة، مثل ورقة اصطناعية، حيث تجمع المياه من الهواء وضوء الشمس لإنتاج غاز الهيدروجين، ويتم تخزين طاقة ضوء الشمس في شكل روابط هيدروجينية.

بدلا من بناء أقطاب كهربائية بطبقات تقليدية معتمة لأشعة الشمس، فإن ركائزها هي في الواقع شبكة ثلاثية الأبعاد من ألياف زجاجية ملبدة.

وفقا لـ"oil price"، قالت مارينا كاريتي، المؤلف الرئيسي للعمل، "كان تطوير النموذج الأولي للجهاز تحديا نظرا لأن الأقطاب الكهربائية الشفافة لنشر الغاز لم يتم عرضها مسبقا، وكان علينا تطوير إجراءات جديدة لكل خطوة، ونظرا لأن كل خطوة بسيطة نسبيا وقابلة للتطوير، أعتقد أن نهجنا سيفتح آفاقًا جديدة لمجموعة واسعة من التطبيقات بدءا من ركائز انتشار الغاز لإنتاج الهيدروجين المدفوع بالطاقة الشمسية".

هل كانت هناك تجارب سابقة في نفس المجال؟

سبق أن أظهر فريق كيفن سيفولا ومجموعات بحثية أخرى أنه من الممكن إجراء عملية التمثيل الضوئي الاصطناعي عن طريق توليد وقود الهيدروجين من الماء السائل وأشعة الشمس باستخدام جهاز يسمى الخلية الكهروكيميائية الكهروضوئية (PEC).

تُعرف خلية PEC عموما بأنها جهاز يستخدم الضوء الساقط لتحفيز مادة حساسة للضوء، مثل أشباه الموصلات، مغمورة في محلول سائل لإحداث تفاعل كيميائي، ولكن هذه العملية لها عيوبها على سبيل المثال من المعقد صنع أجهزة PEC ذات مساحة كبيرة تستخدم السائل.

أراد فريق كيفن سيفولا إظهار أن تقنية PEC يمكن تكييفها لحصاد الرطوبة من الهواء بدلاً من ذلك، مما يؤدي إلى تطوير قطب كهربائي جديد لنشر الغاز.

لقد ثبت بالفعل أن الخلايا الكهروكيميائية (مثل خلايا الوقود) تعمل مع الغازات بدلا من السوائل، لكن أقطاب انتشار الغاز المستخدمة سابقا غير شفافة وغير متوافقة مع تقنية PEC التي تعمل بالطاقة الشمسية.

الآن، يركز الباحثون جهودهم على تحسين النظام، ما هو حجم الألياف المثالي؟ حجم المسام المثالي؟ ما هي أشباه الموصلات والمواد الغشائية المثالية؟ هذه هي الأسئلة التي يتم متابعتها في مشروع الاتحاد الأوروبي "Sun-to-X" ، المخصص لتطوير هذه التكنولوجيا، وتطوير طرق جديدة لتحويل الهيدروجين إلى وقود سائل.

هذا الاختراق لم يمر عليه سوى أسابيع قليلة، لكن مع البحث وبمرور الوقت سنرى نتائج مبهرة في هذه التكنولوجيا المستخدمة في توليد الطاقة النظيفة.