ماذا تعرف عن الغاز النظيف؟ رقاقة اصطناعية تنتج غازاً نظيفاً بنجاح

من الممكن استبدال الغاز الذي يستخدم على نطاق واسع والذي يتم إنتاجه حالياً من الوقود الأحفوري بوقود يتم صناعته بواسطة "رقاقة اصطناعية artificial leaf" تستخدم أشعة الشمس فقط وثاني أكسيد الكربون carbon dioxide والماء ، والتي يمكن استخدامها في النهاية لتطوير بديل مستدام للوقود السائل عن البنزين.

ويضع الجهاز المحايد للكربون  carbon-neutral device معياراً جديداً في مجال الوقود الشمسي ، و ذلك بعد أن أثبت باحثون في جامعة كامبريدج أنه قادر على إنتاج الغاز مباشرة - والذي يطلق عليه الغاز المتزايد أو المتوالد "syngas" - بطريقة مستدامة وبسيطة.

رقاقة اصطناعية تأخذ أشعة الشمس و النتيجة ليست الطاقة الشمسية التقليدية

بدلاً من العمل على الوقود الأحفوري fossil fuels ، يتم تشغيل رقاقة اصطناعية بواسطة أشعة الشمس ، والتي تظل تعمل بكفاءة حتى في الأيام الملبدة بالغيوم . وخلافاً للعمليات الصناعية الحالية لإنتاج الغاز المتزايد Syngas ، فإن هذه الرقاقة تتميز بعدم إطلاق أي ثاني أكسيد كربون إضافي في الجو. و قد تم نشر هذه النتائج في مجلة مواد الطبيعة  Nature Materials.

ويتم تصنيع الغاز المتزايد Syngas حالياً من مزيج من الهيدروجين hydrogen وأول أكسيد الكربون carbon monoxide ، وهو يستخدم لإنتاج مجموعة من السلع الأساسية ، مثل الوقود والأدوية pharmaceuticals والبلاستيك والأسمدة الطبيعية أو الكيميائية fertilisers.

وقد قال الكاتب البارز البروفيسور إروين رايزنر Erwin Reisner من قسم الكيمياء بجامعة كامبريدج Cambridge's Department of Chemistry ، والذي أمضى سبع سنوات في العمل لتحقيق هذا الهدف :" قد لا تكون قد سمعت عن غاز التخليق (غاز التوالد أو الغاز المتزايد) syngas  ، إلا أنك تقوم في كل يوم ، باستهلاك المنتجات التي تم إنشاؤها من خلال استخدامه. حيث ستكون القدرة على إنتاجه على نحو مستدام خطوة حاسمة في إغلاق دورة الكربون العالمية وإقامة صناعة مستدامة للمواد الكيميائية والوقود" . 

مبدأ التقنية الجديدة هو التمثيل الضوئي النباتي

إن جهاز ريزنر Reisner و الأجهزة الأخرى المنتجة والمشابهة له مستوحاة من عملية التمثيل أو التركيب الضوئي photosynthesis  - و هي العملية الطبيعية التي تستخدم بها النباتات الطاقة من أشعة الشمس لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى طعام.

أما فيما يتعلق بالرقاقة الاصطناعية  artificial leaf، فإنه يتم دمج أو جمع عنصرين يمتصان الضوء معاً  مع مادة كيميائية محفزة catalyst مصنوعة من الكوبالت cobalt العنصر الطبيعي الوفير ، و ذلك على غرار الجزيئات في النباتات التي تقوم بالحصول على ضوء الشمس.

وعندما يتم غمر الجهاز في الماء ، يقوم أحد العنصرين الممتص للضوء باستخدام المحفز المصنوع من الكوبالت لإنتاج الأكسجين . أما العنصر الآخر فهو يقوم بتنفيذ التفاعل الكيميائي الذي يقلل و يختصر من ثاني أكسيد الكربون والماء إلى أول أكسيد الكربون والهيدروجين ، مشكلاً خليط الغاز المتزايد  syngas mixture..

وكمكافأة إضافية ، اكتشف الباحثون أن أدوات امتصاص الضوء تعمل حتى في ظل انخفاض مستويات ضوء الشمس في يوم ممطر أو غائم.

تعمل التقنية الجديدة في كل أيام السنة و في أي مكان من العالم

قال فيرجيل أندري  Virgil Andrei ، طالب الدكتوراه ، والمؤلف الأول للصحيفة : " إن هذا يعني أنه لا يمكنك اقتصار استخدام هذه التكنولوجيا في البلدان الدافئة فقط ، أو تشغيل العملية فقط خلال أشهر الصيف". و يتابع قائلاً : " بل يمكنك استخدامها من الفجر حتى الغسق ، في أي مكان في العالم."

و قد أجري هذا  البحث في مختبر كريستيان دوبلر للكيمياء المستدامة  SynGas (Christian Doppler Laboratory for Sustainable SynGas Chemistry) في قسم الكيمياء بالجامعة University's Department of Chemistry.. كما تم تنفيذ هذا المشروع بتمويل مشترك من الحكومة النمساوية والشركة النمساوية للبتروكيماويات OMV (Austrian petrochemical company OMV)، التي تبحث عن طرق لجعل أعمالها أكثر استدامة.

وقال مايكل ديتر أولبريتش  Michael-Dieter Ulbrich، كبير المستشارين في شركة OMV : " لقد كانت شركة  OMV داعماً قوياً لمختبر كريستيان دوبلرChristian Doppler Laboratory على مدار الأعوام السبعة الماضية. إذ أن الأبحاث الأساسية التي قام بها الفريق لإنتاج الغاز المتزايد  syngas كأساس للوقود السائل بطريقة محايدة من الكربون تعتبر رائدة".

كما تم تطوير أجهزة "رقائق اصطناعية artificial leaf " أخرى ، ولكنها عادة ما تنتج الهيدروجين فقط. و يقول باحثو كامبريدج Cambridge إن السبب الذي جعلهم قادرين على إنتاج منتجاتهم بطريقة مستدامة هو بفضل مزيج المواد والعوامل المحفزة التي كانوا قد استخدموها.

وتشمل هذه أحدث المواد الممتصة الخفيفة للضوء بيروفسكايت perovskite ، والتي توفر جهداً كهروضوئياً عالياً وتياراً كهربائياً  لتشغيل التفاعل الكيميائي الذي يتم بوسطته تقليل أو تخفيض ثاني أكسيد الكربون carbon dioxide إلى أول أكسيد الكربون carbon monoxide ، بالمقارنة مع المواد الممتصة للضوء  المصنوعة من السيليكون silicon أو المواد الحساسة للصباغة أو التلوين.

كما استخدم الباحثون الكوبالت cobalt كمحفز جزيئي ، و ذلك بدلاً من البلاتين platinum أو الفضة silver. والكوبالت ليس منخفض التكلفة فقط ، ولكنه أفضل في إنتاج أول أكسيد الكربون من المحفزات الأخرى.

ويبحث الفريق الآن عن طرق لاستخدام تقنيتهم لإنتاج بديل مستدام للوقود السائل عن البنزين.

قفزة علمية.. الانتقال من الغاز الجديد إلى الوقود السائل

لقد استخدم الغاز المتزايد  Syngas مسبقاً ككتلة بناء في إنتاج الوقود السائل. وقال ريزنر Reisner ، وهو أيضا زميل في كلية سانت جون St John's College : " إن ما نود القيام به بعد ذلك ، بدلاً من صنع الغاز المتزايد syngas أولاً ثم تحويله إلى وقود سائل ، هو تصنيع الوقود السائل في خطوة واحدة من ثاني أكسيد الكربون والماء".

و يقول ريزنر Reisner أنه على الرغم من التقدم الكبير الذي تم إحرازه في توليد الكهرباء من مصادر الطاقة المتجددة مثل طاقة الرياح wind power والطاقة الكهروضوئية photovoltaics ، فإن تطوير البنزين الاصطناعي synthetic petrol أمر حيوي ، حيث لا يمكن للكهرباء أن تلبي حالياً سوى حوالي 25% من إجمالي الطلب العالمي على الطاقة.

و أضاف : " إن هناك طلب كبير على الوقود السائل لتشغيل النقل الثقيل والشحن والطيران بشكل مستدام".

كما قال أندريه Andrei : " إننا نهدف إلى إيجاد منتجات مستدامة مثل الإيثانول ethanol ، والذي يمكن استخدامه بسهولة و يسر كوقود".

و يتابع :  "من الصعب إنتاجه في خطوة واحدة من ضوء الشمس باستخدام تفاعل حد أو تقليل ثاني أكسيد الكربون. و لكننا واثقون من أننا نسير في الاتجاه الصحيح ، وأننا نمتلك المواد الكيميائية المحفزة المناسبة catalysts ، لذلك فإننا نعتقد بأننا سنكون قادرين على إنتاج جهاز يمكنه تنفيذ هذه العملية في المستقبل القريب. "

و تجدر الإشارة هنا  أن البحث تم تمويله أيضاً من قبل برنامج وينتون لفيزياء الاستدامة Winton Programme for the Physics of Sustainability ، ومجلس أبحاث التكنولوجيا الحيوية والعلوم البيولوجية Biotechnology and Biological Sciences Research Council,  ، ومجلس أبحاث العلوم الهندسية والفيزيائية Engineering and Physical Sciences Research Council .

المصدر