تولد “الأوراق الاصطناعية” العائمة وقودًا نظيفًا من ضوء الشمس والماء
طور العلماء “أوراقًا اصطناعية” عائمة تولد وقودًا نظيفًا من أشعة الشمس والماء. يمكنهم في النهاية العمل على نطاق واسع في البحر.
تم تصميم الأجهزة فائقة النحافة والمرنة، التي تستلهم من عملية التمثيل الضوئي – العملية التي تحول النباتات من خلالها ضوء الشمس إلى طعام – من قبل باحثين من جامعة كامبريدج.
نظرًا لأن الأجهزة منخفضة التكلفة والمستقلة هي خفيفة بما يكفي لتطفو، فيمكن استخدامها لتوليد بديل مستدام للبنزين دون شغل مساحة على الأرض.
أظهرت الاختبارات الخارجية للأوراق خفيفة الوزن على نهر كام أنها يمكن أن تحول ضوء الشمس إلى وقود بكفاءة مثل أوراق النبات.
نهر كام هو النهر الرئيسي الذي يتدفق عبر كامبريدج في شرق إنجلترا، وقد حدث الاختبار بالقرب من مواقع كامبردج الشهيرة بما في ذلك جسر التنهدات ومكتبة ورين وكنغز كوليدج تشابل.
صمم باحثون من جامعة كامبريدج أجهزة فائقة النحافة ومرنة، تستلهم من عملية التمثيل الضوئي – وهي العملية التي تحول النباتات من خلالها ضوء الشمس إلى طعام.
نظرًا لأن الأجهزة منخفضة التكلفة والمستقلة هي خفيفة بما يكفي لتطفو، فيمكن استخدامها لتوليد بديل مستدام للبنزين دون شغل مساحة على الأرض. الائتمان: فيرجيل أندريه
هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها توليد وقود نظيف على الماء. إذا تم توسيع نطاقها، يمكن استخدام الأوراق الاصطناعية في الممرات المائية الملوثة أو في الموانئ أو حتى في االبحر،ويمكن أن تساعد في تقليل اعتماد صناعة الشحن العالمية على الوقود الأحفوري. نُشرت النتائج اليوم (17 أغسطس 2022) في مجلة Nature .
أصبحت تقنيات الطاقة المتجددة، مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية، أرخص بكثير وأكثر توفرًا في السنوات الأخيرة.
ومع ذلك، بالنسبة للصناعات مثل الشحن، فإن إزالة الكربون أمر أطول بكثير. يتم نقل حوالي 80 ٪ من التجارة العالمية بواسطة سفن الشحن التي تعمل بالوقود الأحفوري، ومع ذلك لم يحظ القطاع باهتمام كبير في المناقشات المتعلقة بأزمة المناخ.
صمم باحثون من جامعة كامبريدج أجهزة فائقة النحافة ومرنة، تستلهم من عملية التمثيل الضوئي – العملية التي تحول النباتات من خلالها ضوء الشمس إلى طعام.
نظرًا لأن الأجهزة منخفضة التكلفة والمستقلة هي خفيفة بما يكفي لتطفو، فيمكن استخدامها لتوليد بديل مستدام للبنزين دون شغل مساحة على الأرض. الائتمان: فيرجيل أندريه
لعدة سنوات، عملت مجموعة البروفيسور إروين ريزنر البحثية في كامبريدج على معالجة هذه المشكلة من خلال تطوير حلول مستدامة للبنزين تستند إلى مبادئ التمثيل الضوئي.
في عام 2019، طوروا ورقة اصطناعية تصنع غاز التخليق من ضوء الشمس وثاني أكسيد الكربون والماء. Syngas هو وسيط رئيسي في إنتاج العديد من المواد الكيميائية والمستحضرات الصيدلانية.
أنتج النموذج الأولي السابق الوقود من خلال الجمع بين اثنين من ماصات الضوء مع محفزات مناسبة. ومع ذلك، فقد تضمنت ركائز زجاجية سميكة وطلاءات واقية من الرطوبة، مما جعل الجهاز ضخمًا.
قال الدكتور فيرجيل أندريه من قسم الكيمياء في جامعة كامبريدج يوسف حميد مؤلف مشارك.
قال ريزنر ، الذي قاد البحث: “أردنا أن نرى إلى أي مدى يمكننا تقليص المواد التي تستخدمها هذه الأجهزة، مع عدم التأثير على أدائها”.
“إذا تمكنا من تقليم المواد بدرجة كافية بحيث تكون خفيفة بدرجة كافية لتطفو، فإنها تفتح طرقًا جديدة تمامًا لاستخدام هذه الأوراق الاصطناعية.”
ورقة اصطناعية عائمة – تولد وقودًا نظيفًا من ضوء الشمس والماء – على نهر كام بالقرب من جسر التنهدات في كامبريدج، المملكة المتحدة. الائتمان: فيرجيل أندريه
بالنسبة للنسخة الجديدة من الورقة الاصطناعية، استوحى العلماء إلهامهم من صناعة الإلكترونيات. أدت تقنيات التصغير هناك إلى إنشاء هواتف ذكية وشاشات مرنة، مما أحدث ثورة في هذا المجال.
كان التحدي الذي واجه فريق كامبريدج البحثي هو كيفية إيداع ممتصات الضوء على ركائز خفيفة الوزن وحمايتها من تسرب الماء.
للتغلب على هذه التحديات، استخدم الباحثون أكاسيد المعادن ذات الأغشية الرقيقة، والمواد المعروفة باسم البيروفسكايت ، والتي يمكن تغطيتها على رقائق بلاستيكية ومعدنية مرنة.
كانت الأجهزة مغطاة بطبقات كربونية بسمك ميكرومتر ومقاومة للماء تمنع تدهور الرطوبة. وكانت النتيجة جهازًا لا يعمل فقط، بل يبدو أيضًا وكأنه ورقة شجر حقيقية.
قال أندريه: “توضح هذه الدراسة أن الأوراق الاصطناعية متوافقة مع تقنيات التصنيع الحديثة، مما يمثل خطوة مبكرة نحو أتمتة وزيادة إنتاج الوقود الشمسي”.
“تجمع هذه الأوراق بين مزايا معظم تقنيات الوقود الشمسي، لأنها تحقق وزنًا منخفضًا لمعلقات المسحوق والأداء العالي للأنظمة السلكية.”
أظهرت الاختبارات التي أجريت على الأوراق الاصطناعية الجديدة أنها تستطيع تقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين، أو تقليل ثاني أكسيد الكربون إلى غاز تخليقي.
بينما يجب إجراء تحسينات إضافية قبل أن تصبح جاهزة للتطبيقات التجارية، يقول العلماء إن هذا التطور يفتح آفاقًا جديدة كاملة في عملهم.
أصبحت مزارع الطاقة الشمسية رائجة في إنتاج الكهرباء؛ قال أندريه “نتصور مزارع مماثلة لتخليق الوقود”. “يمكن أن توفر هذه المستوطنات الساحلية، والجزر النائية، وتغطي البرك الصناعية، أو تجنب تبخر المياه من قنوات الري.”
قال ريزنر: “يمكن للعديد من تقنيات الطاقة المتجددة، بما في ذلك تقنيات الوقود الشمسي، أن تشغل مساحات كبيرة على الأرض، لذا فإن نقل الإنتاج إلى المياه المفتوحة يعني أن الطاقة النظيفة واستخدام الأراضي لا يتنافسان مع بعضهما البعض”.
“من الناحية النظرية، يمكنك طي هذه الأجهزة ووضعها في أي مكان تقريبًا، في أي بلد تقريبًا، مما سيساعد أيضًا في أمن الطاقة.”
المصدر: scitechdaily
شاهد ايضا:
