يقوم الباحثون بتنظيف إنتاج الأمونيا، وخفض تكاليف إنتاجها. ما هو الأمونيا؟
الأمونيا هو غاز عديم اللون مهم في الكثير من الأشياء كاستخدامه كمُخصب، ويُمكن إنتاجه الآن بطريقة جديدة أسهل، وأكثر نظافة، وأرخص من الطريقة المعتادة. يستخدم باحثو جامعة طوكيو المُعدات المختبرية المُتاحة بسهولة، والمواد الكيميائية القابلة لإعادة التدوير، بالإضافة إلى كم قليل من الطاقة لإنتاج الأمونيا.
تُعرف الطريقة الجديدة بإسم “عملية إنتاج الأمونيا بالسامريوم (عنصر فلزي) المائي” (SWAP)، وتهدف إلى تخفيض إنتاج الأمونيا وتحسين إمكانية الحصول على سماد الأمونيا للمزارعين في كل مكان.
في عام 1900م، كان عدد سكان العالم أقل من 2 مليار، بينما في عام 2019م، كان أكثر من 7 مليارات، فكان هذا الانفجار السكاني مُصاحبًا جزئيًا بتقدم سريع في إنتاج الأغذية، وخاصة الاستخدام الواسع النطاق للأسمدة القائمة على الأمونيا. مصدر هذه الأمونيا كانت عملية هابر بوش (Haber-Bosch)، وعلى الرغم من أن البعض يقولون إنها واحدة من أهم الإنجازات، إلا إنها في كل مرة تأتي بثمن باهظ جدًا.
ما هي عملية هابر بوش؟
هي طريقة صناعية لإنتاج النشادر من النيتروجين والهيدروجين، ابتكرها الكيميائي الألماني فريتز هابر عام 1909 م، وهي الطريقة الرئيسية في إنتاج الأمونيا:
N2 + 3 H2 → 2 NH3
وهي عملية تقوم بتحويل 10% فقط من مواد إنتاجها لكل دورة، لذلك تحتاج إلى تشغيلها عدة مرات لاستخدامها بالكامل، مثل الهيدروجين (H2) المُنتج باستخدام الوقود الأحفوري، يتم دمج هذا كيميائيًا مع النيتروجين (N2) عند درجات حرارة تتراوح بين 400 و600 درجة مئوية وضغوط من حوالي 100-200 ضغط جوي، وكذلك بتكلفة كبيرة للطاقة، ويأمل البروفيسور يوشياكي نيشباياشي (Yoshiaki Nishibayashi) وفريقه من قسم ابتكار النظم بجامعة طوكيو في تحسين الوضع من خلال عملية SWAP.
أوضح البروفيسور نيشباياشي: “تستهلك عملية هابر-بوش ما بين 3 إلى 5 في المائة من إجمالي الغاز الطبيعي المنتج في جميع أنحاء العالم، أي حوالي 1 أو 2 في المائة من إجمالي إمدادات الطاقة في العالم.” وعلى عكس ذلك، فإن النباتات البقولية المحتوية على بكتيريا تثبيت النتروجين التكافلي التي تنتج الأمونيا في درجات الحرارة والضغوط الجوية المناسبة، فعزلنا هذه الآلية وعكسنا مكوناتها الوظيفية – النيتروجين.
وعلى مدار سنوات عديدة، استخدم Nishibayashi وفريقه مُحفزات صُنعت في المختبر لمحاولة إعادة إنتاج الطريقة التي يتصرف بها النيتروجين، وقد جرب آخرون ولكن المحفزات الخاصة بهم تنتج فقط عشرات إلى عدة مئات من جزيئات الأمونيا قبل أن تنتهي صلاحيتها، في حين أن محفز Nishibayashi الخاص القائم على الموليبدينوم يُنتج 4,350 جزيء من الأمونيا في حوالي أربع ساعات قبل انتهاء صلاحيتها.
وذكر Nishibayashi: “إن عملية SWAP لدينا تُخلق الأمونيا بمعدل يتراوح بين 300 و500 ضعف معدل عملية Haber-Bosch وبكفاءة تبلغ 90 بالمائة، والفوائد تظهر حقًا أنها عامل في توفير الطاقة العملاقة في عملية ومصادر المواد الخام، بالإضافة إلى إنه يمكن لأي شخص لديه مواد مصدر مناسبة إجراء SWAP في مختبر كيمياء على طاولة، في حين أن عملية Haber-Bosch تتطلب معدات صناعية كبيرة الحجم، وهذا يُتيح الوصول إلى أولئك الذين يفتقرون إلى رأس المال للاستثمار في هذه المعدات الكبيرة باهظة الثمن، فالمواد الخام نفسها هي توفير كبير من حيث التكلفة والطاقة.
وقال نيشباياشي:”كان الدافع القوي هو جعل عملية SWAP ممكنة على نطاق سطح المكتب، وآمل أن أرى هذه العملية تُضفي الطابع الديمقراطي على إنتاج الأسمدة، لذلك لا يتعلق الأمر فقط بالتكاليف الأولية ولكن أيضًا بالتكاليف المستمرة وتوفير الطاقة للمواد الخام، وقدم فريقي هذه الفكرة لمساعدة الممارسات الزراعية في الأماكن التي تحتاج إليها أكثر من غيرها.”
كيف تتم عملية SWAP بدقة؟
تأخذ SWAP النيتروجين (N2) من الهواء كما تفعل عملية Haber-Bosch، لكن المحفز القائم على الموليبدينوم يجمع هذا مع البروتونات (H +) من الماء والإلكترونات (e-) من السماريوم (SmI2). Samarium المعروف أيضًا باسم كاشف Kagan ويتم استخراجه حاليًا واستخدامه في عملية SWAP، ويمكن إعادة تدوير السماريوم بالكهرباء لتجديد إلكتروناته المفقودة، ويهدف الباحثون إلى استخدام مصادر متجددة رخيصة لهذا الغرض في المستقبل.
وقال نيشباياشي:”لقد فوجئت بسرور عندما وجدنا شيئًا شائعًا مثل المياه التي يمكن أن تكون مصدر البروتون، فمحفز الموليبدينوم لا يسمح بذلك عادة، لكن مُحفزنا شيء مميز، وهذا هو أول تفاعل صناعي لتثبيت النيتروجين يصل إلى معدل قريب من أننا نرى إنتاج النيتروجيناز في الطبيعة، وآمل أن يكون عمل حياتي ذو فائدة كبيرة للبشرية.”
كتابة: ميار محسن
مراجعة: أحمد علاء
تحرير: إسراء وصفي
تصميم: أمنية عبدالفتاح
