الورقة الصناعية

صح هالورقة مانا خضرا... ولا بتكبر ولا بتنمو متل الورق الأخضر العادي... بس بتشبه بشغلا ورق الشجر بشكل كبير

الكشف عن أسرار الورقة الاصطناعية
ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
باستخدام خلايا شمسية من السيليكون المغلفة بمحفزات رخيصة ووفيرة، يقوم الجهاز مستخدماً أشعة الشمس لتجزئة جزيئات الماء، تماما مثل ورقة خضراء تقوم بالتركيب الضوئي. وهذا ما ينتج عنه غازا الهيدروجين الأكسجين، التي تظهر بفقاعات على جانبي الرقاقة.

وكما هو الحال في التركيب الضوئي، تخزن الرقاقة في نهاية المطاف طاقة ضوء الشمس على شكل روابط كيميائية في الوقود الذي هو غاز الهيدروجين، والذي يمكن أن يضخ في أنابيب أو يخزن، ومن ثم تستخدم الطاقة عند الحاجة.

تختلف ورقة الشجر الحقيقية عن هذا الجهاز أنه وبالرغم من أن الأمر يبدأ بتجزئة الماء، ولكنه لا ينتهي بطرح الهيدروجين. فبدلاً من ذلك، يتم تحويل الهيدروجين في التفاعلات مع ثاني أكسيد الكربون، لينتج في نهاية المطاف جزيئات السكر. ومع ذلك، فإن نوسيرا، الذي يعمل في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في كامبريدج، يجد أن مفهوم فريقه سوف يساعد في الجهود الرامية إلى إنتاج هيدروجين نظيف ورخيص من ضوء الشمس والماء - وربما حتى السماح للبيوت في البلدان الفقيرة ولكن المشمسة بإنتاج الوقود الخاص بها.

إلا أن هناك أشخاصاً وباحثين آخرين غير مقتنعين من فائدة الجهاز. فإذا ما أردت الهيدروجين، قد يكون هناك طرق أفضل للحصول عليه من الطاقة الشمسية. وقد يكون أحد البدائل البسيطة استخدام الكهرباء المتولدة عن خلايا شمسية أكثر تكلفة، ولكن أكثر كفاءة في تجزئة المياه.

إن تجزئة المياه باستخدام أشعة الشمس لتقديم الهيدروجين ليست خدعة جديدة. وقد استخدم الكيميائيون طويلا الخلايا الشمسية لتوليد الكهرباء وإرسالها من خلال الأسلاك لأقطاب مغطاة بمواد محفزة تجزء الماء، وتنتج الهيدروجين. ولكن مثل هذه الأجهزة كانت إما تستخدم محفزات باهظة الثمن (مثل الروثينيوم أو البلاتين) أوظروفاً حمضية أو أساسية قاسية كان يجب فصلها عن الخلايا الشمسية، أو حمايتها بنوع مكلف من الزجاج.

إلا أن جهاز نوسيرا وشريكه في العمل هو الأول الذي يربط بين الخلية الشمسية والمواد الحفازة في جهاز واحد، دون استخدام أسلاك في ذلك، وكذلك أول من عمل في ظروف معتدلة كماء الصنبور. حتى أنه يعمل مع مياه البحر، ويقول نوسيرا، أنه قد تم تجربته باستخدام عينات من نهر تشارلز القريب. وتأمل الشركة المنتجة في أن يسمح للفريق بإنتاج جزيئات صغيرة جدا من الخلايا الشمسية المحفزة، لتكون مبعثرة كالطين في المياه المتدفقة.

ويعتمد هذا النظام كله على محفزات رخيصة الثمن تنتزع الإلكترونات من المياه لإنتاج الأوكسجين، والبروتونات والإلكترونات، وهذا المحفز يغطي جانب واحد من خلايا شمسية المصنوعة من السيليكون، ويستخدم طبقة من الإنديوم أكسيد القصدير أو فلور أكسيد القصدير بينها لحماية الخلية من الأوكسجين المتولد.
والأهم من ذلك أن هذا المحفز ذاتي الإصلاح، ويصلح عفويا لبه النشط المكون من تجمعات أكسيد الكوبالت كلما تدهور عمله في التفاعل. وهيكلها يبدو مماثلا لهيكل كتل أكسيد المنغنيز التي تشكل مجمع استخراج الأكسجين، المركز النشط من بروتين النظام الضوئي الثاني العملاق الذي تستخدمه الأوراق الحقيقية لتجزئة المياه.

وأضاف نوسيرا محفزاً ثلاثي السبائك - مصنوعاً من النيكل، والموليبدينوم والزنك - إلى الجانب الآخر من رقاقة السيليكون. والبروتونات الصادرة عن تجزئة المياه تشق طريقها إلى هذا الوجه، حيث يساعد على النيكل لجمع شملها مع الإلكترونات لتكوين الهيدروجين.

إن عملية التحويل في ورقة نبات، تحول في المتوسط، 1٪ فقط من الطاقة التي تحصل عليها من ضوء الشمس إلى روابط كيميائية. بينما تقارير نوسيرا تشير إلى 2.5٪ لجهازه؛ وباستخدام الأسلاك ترتفع إلى 4.7٪. إن الجزء الأكبر من الخسائر تأتي من الخلايا الشمسية شبه الموصلة، وليس من محفزات التحليل الكهربائي.

ويقول نوسيرا أن الاختبارات المعملية باستخدام السيليكون البلوري عالي الجودة حسنت من كفاءة النظام. كما أن زيادة ناقلية المحلول المحيط أو صنع ثقوب صغيرة في أشباه الموصلات، والتي من خلالها يمكن أن تتدفق البروتونات، قد يساعد أيضا.

يشعر بعض الباحثين أن استخدام الطاقة الشمسية لإنتاج الكهرباء خلال النهار، وتخزين الطاقة في البطاريات في الليل سيكون أفضل في النهاية؛ بينما يتحفظون على الهيدروجين، الذي سيبقى دوماً مكلفا للاستخراج وصعبا للتخزين.

اضغط على الفيديو في الأسفل لتراقب عمل هذه الورقة 


المصدر: 

هنا