نجح فريق بحثي من جامعة طوكيو في تحقيق تقدم علمي بارز قد يحدث تحولا في صناعة الأسمدة، بتطوير طريقة جديدة لإنتاج الأمونيا، تعتمد على استخدام الماء والنيتروجين من الهواء وضوء الشمس فقط، دون الحاجة إلى كميات هائلة من الطاقة، كما هو الحال في الطرق التقليدية.
وفقا للدراسة التي نشرت يوم 22 مايو في مجلة “نيتشر كوميونيكيشنز” فإن هذا الابتكار قد يقلل من استهلاك الطاقة والانبعاثات الناتجة عن إنتاج الأمونيا.
ويأمل المؤلفون في أن تساهم هذه التقنية في إحداث تحول في قطاع الزراعة والصناعة، من خلال تقليل البصمة الكربونية لإنتاج الأسمدة، وتعزيز الاعتماد على الطاقة الشمسية كمصدر نظيف ومستدام.
مصدر طاقة نظيف ومستدام
تعد الأمونيا مادة كيميائية أساسية في صناعة الأسمدة التي تعتمد عليها الزراعة الحديثة بشكل كبير، إذ يتم إنتاج نحو 200 مليون طن من الأمونيا سنويا في العالم، يستخدم منها 80% في إنتاج الأسمدة.
لكن المشكلة تكمن في أن الطرق التقليدية لإنتاج الأمونيا، مثل عملية “هابر-بوش” -وهي طريقة صناعية لإنتاج النشادر من النيتروجين والهيدروجين-، تتطلب درجات حرارة وضغوطا عالية، مما يؤدي إلى استهلاك نحو 2% من إجمالي الطاقة العالمية وإطلاق كمية مماثلة من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون.
من هنا تأتي أهمية نتائج الدراسة، وفقا للمؤلف الرئيسي “يوشيأكي نيشيباياشي” – أستاذ الكيمياء التطبيقية بجامعة طوكيو، الذي أوضح في تصريحات لـ “الجزيرة نت” أن الفريق تمكن من تطوير نظام تحفيزي جديد لإنتاج الأمونيا باستخدام مواد وفيرة في الطبيعة مثل الماء والنيتروجين، وكل ذلك باستخدام ضوء الشمس كمصدر للطاقة.
يقول “نيشيباياشي” في تصريحاته: “هذه هي المرة الأولى التي ننجح فيها في إنتاج الأمونيا بشكل محفز ضوئيا باستخدام النيتروجين الجوي كمصدر للنيتروجين والماء كمصدر للبروتونات، وذلك باستخدام الضوء المرئي ونوعين من المحفزات الجزيئية”.
ويضيف: “لقد استخدمنا محفزا ضوئيا من عنصر الإيريديوم ومركبا آخر يعرف باسم الفوسفين الثلاثي، ما مكن من تنشيط جزيئات الماء وإطلاق البروتونات اللازمة لتكوين الأمونيا”.
وما يجعل هذا الإنجاز أكثر إثارة هو أن الفريق تمكن من تنفيذ التفاعل على نطاق أكبر بعشر مرات من التجارب السابقة، مما يمهد الطريق لتجارب واسعة النطاق وربما تطبيقات صناعية مستقبلية.
آلية عمل متناغمة
تعتمد الآلية الجديدة على استخدام محفزين كيميائيين يعملان بتناغم؛ الأول يحتوي على عنصر الموليبدينوم ويستخدم لتنشيط جزيئات النيتروجين المأخوذة من الهواء، أما الثاني فهو مركب من عنصر الإيريديوم يفعل بواسطة ضوء الشمس لتحفيز جزيئات الماء والفوسفين الثلاثي.
وعند امتصاص الضوء، يدخل محفز الإيريديوم في حالة طاقة عالية تمكنه من تأيين الفوسفينات، التي تتفاعل مع الماء لإنتاج البروتونات. وهنا يتدخل محفز الموليبدينوم ليساعد على ربط هذه البروتونات بجزيئات النيتروجين، وتكوين الأمونيا في نهاية التفاعل.
يوضح المؤلف الرئيسي للدراسة أنه عندما يمتص محفز الإيريديوم ضوء الشمس، فإنه يصبح قادرا على تأيين الفوسفينات، التي تعمل بعد ذلك على تفعيل الماء وتحرير البروتونات. وهنا يأتي دور محفز الموليبدينوم الذي يسمح للنيتروجين بالاتحاد مع هذه البروتونات لتكوين الأمونيا.
ويرى “نيشيباياشي” أن هذه التقنية تحاكي في جوهرها ما يحدث في الطبيعة، حيث تعتمد النباتات على البكتيريا لتثبيت النيتروجين وتحويله إلى أمونيا من خلال عمليات حيوية مرتبطة بالتمثيل الضوئي. إلا أن بعض التحديات لا تزال قائمة، مثل التعامل مع المركبات الوسيطة (كالفوسفينات) التي يمكن أن تكون سامة إذا لم يتم التعامل معها بمسؤولية.
“في الطبيعة، يتم إنتاج الأمونيا من خلال تثبيت النيتروجين بيولوجيا باستخدام البكتيريا الزرقاء، وهي عملية ترتبط بالتمثيل الضوئي” كما أوضح “نيشيباياشي”، ويضيف: “دراستنا تمثل مثالا ناجحا على التمثيل الضوئي الاصطناعي لإنتاج الأمونيا، باستخدام ضوء الشمس والماء والنيتروجين الجوي فقط”.