هل يمكن تحويل ضوء الشمس إلى وقود؟

التمثيل الضوئي: هو عملية تستخدمها النباتات لتحويل أشعة الشمس إلى طاقة؛ إذ ينتج الأوكسجين بوصفه منتجًا ثانويًّا لعملية التمثيل الضوئي عندما يصبح الماء الذي تمتصه النباتات "منقسمًا". تعدُّ هذه العملية واحدة من أهم التفاعلات على وجه الأرض؛ لأنها مصدر كل الأوكسجين حول العالم تقريبًا. في حين أن الهيدروجين الناتج من عملية انقسام الماء يمكن أن يستغل بوصفه مصدرًا نظيفًا غير محدود للطاقة المتجددة.

في دراسة جديدة، قادها أكاديميون من كلية سانت جون، جامعة كامبردج، استخدم الباحثون التمثيل الضوئي الشبه الاصطناعي؛ لاستكشاف طرائق جديدة لإنتاج الطاقة الشمسية وتخزينها؛ إذ سخروا ضوء الشمس لتحويل الماء إلى هيدروجين وأوكسجين باستخدام خليط من المكونات البيولوجية والتقنيات البشرية.

تقول كاتارزينا سوكول، المؤلفة الرئيسية وطالبة الدكتوراه في كلية سانت جون: إن التمثيل الضوئي الطبيعي ليس فعالًا لأنه تطور فقط لإبقاء النبات على قيد الحياة؛ لذا فهو ينتج الحد الأدنى من الطاقة اللازمة- نحو 1-2%، مما يمكن أن يحول ويخزن.

ظلت عملية التمثيل الضوئي الصناعي موجودة منذ عقود ولكنها لم تستخدم حتى الآن في إنتاج الطاقة المتجددة؛ لاعتمادها على المحفزات الكيميائية التي غالبًا ما تكون مكلفة وسامة. هذا يعني أنه لا يمكن حتى الآن الارتقاء للمستوى الصناعي.

تعد أبحاث كامبردج جزءًا من المجال الناشئ لعملية التمثيل الضوئي الشبه الاصطناعي التي تهدف إلى التغلب على معوقات التمثيل الضوئي الاصطناعي باستخدام أنزيمات لخلق التفاعل المطلوب.

لم تزد سوكول وفريق البحث كمية الطاقة المنتجة والمخزنة فقط، بل تمكنوا من إعادة تنشيط العملية في الطحالب التي ضلت خاملة لآلاف السنين أيضًا. وأوضحت: «يوجد أنزيم في الطحالب يدعى هيدروجينيز (Hydrogenase) قادر على تحويل البروتونات إلى هيدروجين؛ إذ أبطلت هذه العملية خلال التطور لأنها غير ضرورية للبقاء على قيد الحياة، ولكننا نجحنا في تجاوز هذا الخمول للحصول على التفاعل المراد المتمثل في تقسيم الماء إلى هيدروجين وأوكسجين». وتأمل سوكول أن تؤدي النتائج إلى تطوير أنظمة جديدة ومبتكرة للاستفادة من الطاقة الشمسية. وأضافت: «من المثير أن نختار العمليات التي نريدها انتقائيًّا، ونحقق التفاعل الذي نريده والذي لا يحدث بصورة طبيعية، ويمكن أن يكون هذا البحث أساسًا لتطوير تكنولوجيا الطاقة الشمسية؛ إذ يمكن استخدام هذا النهج لدمج عدة تفاعلات مع بعضها ببعض وترقب النتائج والتعلم من هذه التفاعلات، ومن ثم بناء نماذج اصطناعية أكثر قوة في تكنولوجيا الطاقة الشمسية».

يعد هذا الأنموذج أول من استخدم بنجاح أنزيم الهيدروجبنبز ونظام الضوء الثاني؛ لإنشاء عملية التمثيل الضوئي شبه الاصطناعية مدفوعة بالكامل بواسطة الطاقة الشمسية؛ فقد وصف الدكتور إيروين ريزنر، رئيس مختبر ريزنر، زميل في كلية سانت جون، جامعة كامبردج وأحد مؤلفي الورقة البحثية، البحثَ بـ«العلامة البارزة». وأوضح أن «هذا العمل تغلب على العديد من التحديات الصعبة المرتبطة بدمج المكونات البيولوجية والعضوية في المواد غير العضوية؛ لتجميع الأجهزة شبه الاصطناعية وسيوفر الأدوات اللازمة لتطوير الأنظمة المستقبلية الخاصة بتحويل الطاقة الشمسية».

المصادر : 

1- هنا

2- Katarzyna P. Sokol، William E. Robinson، Julien Warnan، Nikolay Kornienko، Marc M. Nowaczyk، Adrian Ruff، Jenny Z. Zhang، Erwin Reisner. Bias-free photoelectrochemical water splitting with photosystem II on a dye-sensitized photoanode wired to hydrogenase. Nature Energy، 2018;

DOI: 10.1038/s41560-018-0232-y

3- Katarzyna P. Sokol، William E. Robinson، Julien Warnan، Nikolay Kornienko، Marc M. Nowaczyk، Adrian Ruff، Jenny Z. Zhang، Erwin Reisner. Bias-free photoelectrochemical water splitting with photosystem II on a dye-sensitized photoanode wired to hydrogenase. Nature Energy، 2018; DOI: 10.1038/s41560-018-0232-y