“الحفارة الشمسية العائمة”.. آلية مبتكرة للتحليل الكهربائي
يمكن أن تستخدم “منصة الوقود الشمسي” العائمة الطاقة الشمسية يومًا ما لتقسيم مياه البحر وتوليد وقود الهيدروجين. وصف فريق من العلماء مؤخرًا تصميم الحفارة الجديدة في المجلة الدولية للطاقة الهيدروجينية. يمكن لنسخة مطورة من نموذجهم الأولي أن تطفو يومًا ما في عرض البحر، كما يقولون، لتنتج وقودًا متجددًا من ضوء الشمس ومياه البحر.
لطالما سعى العلماء إلى طرق لتسخير ضوء الشمس لإنتاج وقود قابل للتخزين يمكن تشغيله عندما لا تشرق الشمس. تهدف إحدى الإستراتيجيات إلى استخدام الكهرباء المولدة من الشمس لتحريك التحليل الكهربائي للماء – تقسيم الماء (H 2 O) إلى الهيدروجين (H 2 ) والأكسجين (O 2 ). الهيدروجين وقود نظيف، وحرقه يولد الماء فقط كمنتج ثانوي له.
عندما تقوم المحلل الكهربائي التجاري بتقسيم الماء، فإنها تعتمد على الأغشية لفصل غازات الهيدروجين والأكسجين الناتجة، حيث يمكن أن تكون مخاليط هذه الغازات قابلة للانفجار. لكن هذه الأغشية غالية الثمن وعرضة للتدهور والفشل.
علاوة على ذلك، فإن إنتاج وقود الهيدروجين الذي يعمل بالطاقة الشمسية من شأنه أن يستفيد بشكل مثالي من مياه البحر الرخيصة والوفرة. لكن المحلل الكهربائي التجاري يتطلب ماء نقيًا جدًا، لأن مياه البحر تحتوي على شوائب وميكروبات يمكنها بسهولة تدمير أغشيتها.
في السابق، حاول العلماء تطوير أجهزة تحليل كهربائية لا تتطلب أغشية. ومع ذلك، فإن هذه المحلل الكهربائي تستخدم سوائل إلكتروليت متدفقة لفصل الهيدروجين والأكسجين، الأمر الذي يتطلب مضخات وإضافة طبقة من التعقيد الميكانيكي إلى هذه الأجهزة.
لقد طور الباحثون الآن ما يقترحونه هو “أول عرض عملي لجهاز تحليل كهربائي عائم يعمل بالطاقة الكهروضوئية خالٍ من الغشاء وخالٍ من المضخات”، كما يقول دانيال إسبوزيتو، مهندس كيميائي في جامعة كولومبيا في نيويورك، والذي ساعد بناء الحفارة.
يتصور إسبوزيتو وزملاؤه منصات المحلل الكهربائي التي تعمل بالطاقة الشمسية والتي تطفو على البحر للاستفادة من وفرة ضوء الشمس والماء لتوليد وقود الهيدروجين. ويذكر هؤلاء “حفارات الوقود الشمسي” في بعض النواحي بمنصات أعماق البحار المستخدمة في حصاد الوقود الأحفوري اليوم، كما يقولون. “حوالي 71 في المائة من سطح الأرض مغطى بالمياه – فلماذا لا نستخدم بعضًا من هذا الفضاء لحصاد الطاقة؟” يقول إسبوزيتو.
يستخدم المحلل الكهربائي الجديد أقطابًا مصنوعة من صفائح من شبكة التيتانيوم معلقة في الماء. المحفز البلاتيني يغطي جانبًا واحدًا فقط من كل ورقة. يقول إسبوزيتو: “هذه الأقطاب الشبكية تشبه في طبيعتها شاشات النوافذ المعدنية التي تسمح بتبادل الهواء المرغوب فيه بين الداخل والخارج مع إبعاد الحشرات”.
[shortcode ieee-pullquote quote = “” حوالي 71 بالمائة من سطح الأرض مغطى بالمياه – لماذا لا تستخدم بعضًا من هذا الفضاء لحصاد الطاقة؟ “” float = “right” expand = 1]عندما يتم شحن قطب شبكي سالبًا، تتطور فقاعات الهيدروجين على الجانب المطلي بالمحفز. عندما يتم شحن قطب شبكي إيجابيًا، تتطور فقاعات الأكسجين على الجانب المطلي بالمحفز بدلاً من ذلك.
يتم وضع كل من الأقطاب الشبكية في زوايا قطرية في الماء. عندما تكبر فقاعات الغاز عليها بشكل كبير، فإن طفو الفقاعات يجعلها تنفصل عن الشبكة وتطفو لأعلى دون عوائق. اعتمادًا على ترتيب هذه الأقطاب الكهربائية، يمكن أن تطفو فقاعات الهيدروجين في مجموعة واحدة من الغرف بينما يمكن أن تطفو فقاعات الأكسجين في مجموعة منفصلة تنفث الأكسجين إلى الغلاف الجوي. يقول إسبوزيتو إن بساطة الجهاز تشير إلى الحاجة إلى أجزاء قليلة نسبيًا، مما يقلل من تكاليف المواد والتجميع.
في التجارب، يمكن للمحلل الكهربائي العائم الذي طوره الباحثون أن ينتج غاز الهيدروجين بدرجة نقاء تصل إلى 99 في المائة. يقول إسبوزيتو: “باستخدام هذه الأقطاب الكهربائية، يمكننا تحقيق تحليل كهربائي فعال بنقاوة عالية للمنتج بدون غشاء وبدون مضخة”.
يمكن للعمل المستقبلي تحسين هذا التصميم من أجل تشغيل أكثر كفاءة في مياه البحر الحقيقية. على سبيل المثال، يقترح الباحثون تطوير محفزات لا تولد غاز الكلور السام من أيونات الكلوريد الذائبة في مياه البحر. يخطط الباحثون أيضًا لتطوير إصدارات معيارية من أجهزتهم مناسبة للتنفيذ في منصات كبيرة الحجم.
