قام باحثون بتطوير مفهوم جديد للمفاعلات الضوئية العالية الكفاءة والمنخفضة التكلفة يمكن استخدامه لإنتاج الهيدروجين والوقود وحتى مياه الشرب على نطاق واسع.
على مدار السنوات القليلة الماضية، تم تطوير تكنولوجيا التمثيل الضوئي الاصطناعي بشكل كبير، مما أدى إلى زيادة كفاءة الخلايا الشمسية الاصطناعية وتحسين أدائها. وتم تطوير مواد جديدة لصنع هذه الخلايا، مما يسمح بتحسين كفاءة تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية.
ويعني التمثيل الضوئي الاصطناعي أن التفاعلات الكيميائية تتم بمساعدة ضوء الشمس، وكما هي الحال في الطبيعة، يتم امتصاص الفوتونات بواسطة مادة نشطة ضوئيا وتستخدم طاقتها لدفع تفاعل كيميائي مباشرة.
وأحرز باحثون من معهد كارلسروه للتكنولوجيا (KIT) وشركاؤهم الكنديون تقدما كبيرا في انتقال الطاقة مع الهيدروجين المتولد على الأسطح، ونشرت نتائج دراستهم في دورية “جول” (Joule) يوم 21 يونيو/حزيران الفائت.
وحتى الآن، تم استخدام هذه التقنية بشكل أساسي في المختبر، لأن تكاليف إنتاج الهيدروجين الشمسي كانت مرتفعة للغاية.
مفهوم المفاعل الضوئي
يتناول مفهوم المفاعل الضوئي الذي قدمه الفريق تحديا مزدوجا: فهو يتكون من ألواح بوليمر مجهرية مطلية بالألمنيوم لتحقيق انعكاسية عالية، كما أنه يوفر ظروف التشغيل المثلى ويضمن النقل الفعال للضوء إلى المحفز الضوئي على مدار اليوم.
وتتكون وحدة المفاعل الضوئي الفعال للاستخدام العملي بشكل أساسي من مكونين: محفز ضوئي مناسب يقود التفاعل الكيميائي ومفاعل ضوئي يحتوي على المحفز الضوئي والمواد الأولية للتفاعل الكيميائي.
ويقول بول كانط من معهد كارلسروه للتكنولوجيا لهندسة العمليات الدقيقة (IMVT) في بيان صحفي للمعهد “هناك العديد من المحفزات الضوئية المعروفة. يمكن استخدامها لتحليل الماء إلى هيدروجين وأكسجين أو لإنتاج وقود محايد مناخيا من الماء وثاني أكسيد الكربون”.
ويضيف “في الحالة المثالية، يجب أن يوجه المفاعل الضوئي ضوء الشمس الساقط إلى المحفز الضوئي مع عدم وجود أي خسائر تقريبا، بغض النظر عن مصدره أو مكان وضع الشمس”.
ويستطرد “علاوة على ذلك، يجب أن تضمن بنية ومادة المفاعل الضوئي التشغيل الأمثل للمحفز الضوئي، مثل درجة الحرارة المناسبة عند امتصاص الضوء”.
فرصة تكنولوجية كبيرة
يعتقد كانط أن الاستخدام الواسع لوحدات المفاعل الضوئي الجديدة لإنتاج الهيدروجين أو الوقود على الأسطح أو في المزارع الشمسية قد يكون إحدى الفرص التكنولوجية الكبيرة للبشرية في مكافحة أزمة المناخ. مع ذلك، فإن كفاءة التفاعل الكيميائي العالية هي شرط يجب تحققه قبل أن يصبح التمثيل الضوئي الاصطناعي تقنية فعالة.
ووفقا لتقديرات الباحثين الأولى، تبلغ تكلفة المتر المربع لوحدة المفاعل الضوئي حوالي 22 دولارا أميركيا. وفي حال نجاح تطوير هذه المفاعلات لتوليد الهيدروجين والوقود، فإن هذه التقنية قد تكون واحدة من الحلول الهامة لأزمة الطاقة وتغير المناخ.
وفي الوقت الحالي، يعمل الفريق على تطوير محفز ضوئي يحلل الماء بكفاءة إلى هيدروجين وأكسجين، وسيتم دمجه في المفاعلات الضوئية، كما تتم دراسة الإنتاج الضخم للألواح الجديدة المعتمدة على تقنية المفاعل الضوئي.