يعمل جهاز التمثيل الضوئي الاصطناعي الجديد والمستقر على استغلال ضوء الشمس بشدة لكسر الروابط بين كلٍ من المياه العذبة والمالحة؛ لتوليد الهيدروجين الذي يمكن استخدامه بعد ذلك في خلايا الوقود، وكذلك يمكن إعادة هيكلة هذا الجهاز؛ لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود، وهو يتكون من نفس المواد المُستخدَمة على نطاق واسع، مثل: الخلايا الشمسية والإلكترونيات الأخرى، بما في ذلك السيليكون ونيتريد الغاليوم ( غالبا ما يوجد في مصابيح (LED)، وبتصميم جاهز للصناعة يعمل فقط مع ضوء الشمس ومياه البحر. يُمهِّد الجهاز الطريق لإنتاج وقود الهيدروجين النظيف على نطاق واسع.
يُعتبَر الهيدروجين أنظف وقود محترق، لكن إنتاجه ليس دائمًا صديقًا للبيئة؛ فلذلك يعمل جهاز التمثيل الضوئي الاصطناعي على تقسيم المياه بالطاقة الشمسية المباشرة، ونستخدم الماء والضوء من الشمس فقط، وتأكيدًا لذلك قال “زيتان مي” “Zetian Mi” أستاذ الهندسة الكهربائية والكمبيوتر بجامعة “ميتشيغان”: «إذا استطعنا تخزين الطاقة الشمسية كوقود كيميائي مثلما تفعل الطبيعة مع عملية التمثيل الضوئي، يمكننا حل تحدٍ أساسي للطاقة المتجددة»، ويقول أيضًا “فكرول علم تشودري” “Faqrul Alam Chowdhury” طالب الدكتوراه في الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في “ماكجيل”: «إن المشكلة مع الخلايا الشمسية هي أنها لا تستطيع تخزين الكهرباء بدون بطاريات، والتي لديها تكاليف عالية ومحدودة».
وطبقًا لذلك حققت قطاعات المياه الشمسية المباشرة السابقة أكثر من 1% من كفاءة الطاقة الشمسية إلى كفاءة الهيدروجين في المياه العذبة أو المالحة، وتعاني المقاربات الأخرى من استخدام المواد المكلفة وغير الفعالة وغير المستقرة، مثل: ثاني أكسيد التيتانيوم، والتي قد تنطوي أيضًا على إضافة حلول حمضية بدرجة عالية للوصول إلى كفاءات أعلى.
حقق “زيتان مي” مع فريقه أكثر من 3% من كفاءة الطاقة الشمسية إلى كفاءة الهيدروجين، وللوصول إلى هذه الكفاءة المستقرة، قام الفريق ببناء “سيتي سكيب” بحجم النانو من أبراج نيتريد الغاليوم التي أنتجت مجالًا كهربائيًا؛ حيثُ يُحوِّل نيتريد الغاليوم الضوء إلى إلكترونات متحركة وفراغات موجبة الشحنة تُدعَى الثقوب، وهذه الشحنات المجانية تقسم جزيئات الماء إلى هيدروجين وأكسجين.
وقال “تشودري”: «عندما يتم ضرب هذه الرقاقة المُهندَسة بشكل خاص بالفوتونات؛ فإن المجال الكهربي يساعد على فصل الإلكترونات والثقوب المُكوِّنة للفوتونات على إنتاج جزيئات الهيدروجين والأكسجين بكفاءة». وقال “مي”: «على الرغم من أن كفاءة 3% قد تبدو منخفضة، إلا أنه في سياق الأربعين عامًا من الأبحاث حول هذه العملية، فإنها في الواقع إنجاز كبير».
يقوم “مي” حاليًا بإجراء بحث مماثل لتجريد ثاني أكسيد الكربون من الأكسجين الخاص به لتحويل الكربون الناتج إلى هيدروكربونات، مثل: الميثانول والسينغاز. يمكن لمسار البحث هذا أن يحذف ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي، مثلما تفعل النباتات.
“هذا هو الجزء المثير حقًا”.
كتابة: منة طارق
مراجعة: مريم محمود
تصميم: محمد خالد
تحرير: اسلام حمدي
