ابتكر مهندسو جامعة رايس جهازًا “يحول ضوء الشمس إلى هيدروجين” بكفاءة قياسية. يدمج الجهاز الجيل التالي من أشباه الموصلات هاليد بيروفسكايت مع المحفزات الكهربائية في جهاز واحد متين وفعال من حيث التكلفة وقابل للتطوير. يعتقد البيان الصحفي أن المهندسين قد وضعوا معيارًا جديدًا لتكنولوجيا الهيدروجين. إن الجهاز في الواقع هو عبارة عن خلية فصل مياه تعمل بالطاقة الشمسية.

وفقًا لدراسة نُشرت في مجلة نيتشر كوميونيكيشنز (Nature Communications)، حقق الجهاز كفاءة تحويل 20.8% من الطاقة الشمسية إلى هيدروجين. اليوم الدراسة ليست وراء نظام حظر الاشتراك غير المدفوع.

تعد التكنولوجيا الجديدة خطوة مهمة للأمام من أجل الطاقة النظيفة ويمكن أن تكون بمثابة منصة لمجموعة واسعة من التفاعلات الكيميائية التي تستخدم الكهرباء المقطوعة بالطاقة الشمسية لتحويل المواد الأولية إلى وقود.

قام أديتيا موهيت معمل المهندس الكيميائي والجزيئي الحيوي ببناء مفاعل ضوئي متكامل باستخدام حاجز مضاد للتآكل يعزل أشباه الموصلات عن الماء دون إعاقة نقل الإلكترونات.

علق أوستن فير طالب الدكتوراة في الهندسة الكيميائية والبيولوجية الجزيئية وأحد المؤلفين الرئيسيين للدراسة قائلًا: “إن استخدام ضوء الشمس كمصدر للطاقة لتصنيع المواد الكيميائية هو أحد أكبر العقبات أمام اقتصاد الطاقة النظيفة. هدفنا هو بناء منصات مجدية اقتصاديًا يمكنها توليد الوقود المشتق من الطاقة الشمسية. هنا، قمنا بتصميم نظام يمتص الضوء ويكمل الكيمياء الكهروكيميائية لتقسيم الماء على سطحه”.

يُعرف الجهاز بالخلية الكهروكيميائية الضوئية لأن امتصاص الضوء وتحويله إلى كهرباء واستخدام الكهرباء لتشغيل تفاعل كيميائي كلها تحدث في نفس الجهاز. حتى الآن، تم إعاقة استخدام التكنولوجيا الكهروضوئية لإنتاج الهيدروجين الأخضر بسبب انخفاض الكفاءة والتكلفة العالية لأشباه الموصلات.

وأضاف فيهر: “تنتج جميع الأجهزة من هذا النوع الهيدروجين الأخضر باستخدام ضوء الشمس والماء فقط، لكن أجهزتنا استثنائية لأنها تتمتع بكفاءة قياسية وتستخدم أشباه موصلات رخيصة جدًا”.

ابتكر مختبر موهيت والمتعاونون معه الجهاز عن طريق تحويل الخلايا الشمسية شديدة التنافسية إلى مفاعل يمكنه استخدام الطاقة المحصودة لتقسيم الماء إلى أكسجين وهيدروجين. كان التحدي الذي كان عليهم التغلب عليه هو أن هاليد بيروفسكايت غير مستقر للغاية في الماء وأن الطلاء المستخدم لعزل أشباه الموصلات انتهى إما بتعطيل وظيفتها أو إتلافها.

أشار مايكل وونغ المهندس الكيميائي في رايس والمؤلف المشارك في الدراسة إلى أنه “على مدار العامين الماضيين، ذهبنا ذهابًا وإيابًا في تجربة مواد وتقنيات مختلفة”. وبعد فشل التجارب المطولة في تحقيق النتيجة المرجوة، توصل الباحثون أخيرًا إلى حل ناجح.

قال فيهر: “كانت رؤيتنا الرئيسية هي أنك بحاجة إلى طبقتين على الحاجز، واحدة لمنع الماء والأخرى لإجراء اتصال كهربائي جيد بين طبقات البيروفسكايت والطبقة الواقية. إن نتائجنا هي أعلى كفاءة للخلايا الكهروضوئية بدون تركيز شمسي، والأفضل بشكل عام لتلك التي تستخدم أشباه موصلات هاليد بيروفسكايت. إنها الأولى في مجال سيطرت عليه تاريخيًا أشباه الموصلات باهظة الثمن، وقد تمثل مسارًا للجدوى التجارية لهذا النوع من الأجهزة لأول مرة على الإطلاق”.

أظهر الباحثون أن تصميم الحاجز الخاص بهم يعمل مع تفاعلات مختلفة ومع أشباه موصلات مختلفة، مما يجعله قابلاً للتطبيق عبر العديد من الأنظمة.

قال موهيت: “نأمل أن تكون مثل هذه الأنظمة بمثابة منصة لدفع مجموعة واسعة من الإلكترونات لتفاعلات تشكيل الوقود باستخدام مواد أولية وفيرة مع ضوء الشمس فقط كمدخل للطاقة”.

وأضاف فيهر: “مع مزيد من التحسينات على الاستقرار والنطاق، يمكن لهذه التكنولوجيا أن تفتح اقتصاد الهيدروجين وتغير الطريقة التي يصنع بها البشر الأشياء من الوقود الأحفوري إلى الوقود الشمسي”.

هناك قدر كبير من التفاؤل في هذا العمل. ومع ذلك، علينا أن نتذكر أن مجمّع الطاقة الشمسية على أعلى مستوى في أفضل أوقات اليوم سيرى فقط حوالي 100 وات من الطاقة الواردة لكل متر مربع. على المرء أن يسأل عن مدى فائدة الهيدروجين الحر في السوق المتخصصة.

ما زالت التكنولوجيا في بدايتها إلى حد كبير. لم يتم بحث إلى أين سيؤدي هذا التطور وكيفية هندسته إلى حد ما. ولكن حتى مع 20.8% من كفاءة تقسيم المياه التي تعمل بالطاقة الشمسية، هناك طريق طويل جدًا لنقطعه.

اقرأ أيضًا استطلاع: الفجوة بين الجنسين امتدت لتشمل قطاعات الاستشارات المالية والاستثمارات

المصدر: أويل برايس