يمكن استخدام أجهزة تشبه أوراق الشجر وخفيفة بما يكفي لتطفو على الماء لتوليد الوقود من مزارع الطاقة الشمسية الموجودة على مصادر المياه المفتوحة - وهو طريق لم يتم استكشافه من قبل، وفقًا لباحثين من جامعة كامبريدج في المملكة المتحدة. طورتهم. الأجهزة الجديدة مصنوعة من ركائز رقيقة ومرنة وطبقات ماصة للضوء تعتمد على البيروفسكايت، وأظهرت الاختبارات أنها يمكن أن تنتج إما الهيدروجين أو الغاز الاصطناعي (خليط من الهيدروجين وأول أكسيد الكربون) بينما تطفو على نهر كام.
الأوراق الاصطناعية مثل هذه هي نوع من الخلايا الكهروكيميائية الضوئية (PEC) التي تحول ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية أو وقود عن طريق محاكاة بعض جوانب عملية التمثيل الضوئي، مثل تقسيم الماء إلى مكوناته المكونة من الأكسجين والهيدروجين. وهذا يختلف عن الخلايا الكهروضوئية التقليدية، التي تحول الضوء مباشرة إلى كهرباء.
ونظرًا لأن أوراق PEC الاصطناعية تحتوي على مكونات تجميع الضوء والتحفيز في جهاز واحد مدمج، فمن الممكن من حيث المبدأ استخدامها لإنتاج الوقود من ضوء الشمس بتكلفة رخيصة وببساطة. المشكلة هي أن التقنيات الحالية لصنعها لا يمكن توسيع نطاقها. والأكثر من ذلك، أنها غالبًا ما تتكون من مواد هشة وثقيلة، مما يحد من استخدامها.
في عام 2019 قام فريق من الباحثين بقيادة إروين ريزنر طور ورقة اصطناعية تنتج غازًا صناعيًا من ضوء الشمس وثاني أكسيد الكربون والماء. يحتوي هذا الجهاز على ماصتين للضوء ومحفزات، ولكنه يشتمل أيضًا على ركيزة زجاجية سميكة وطلاءات للحماية من الرطوبة، مما جعله مرهقًا.
نسخة جديدة وخفيفة الوزن
ولصنع نسخة جديدة أخف وزنا، كان على رايزنر وزملائه التغلب على العديد من التحديات. الأول كان دمج ماصات الضوء والمحفزات في ركائز مقاومة لتسرب الماء. وللقيام بذلك، اختاروا أكسيد فلز رقيق، وهو فانادات البزموت (BiVO4)، وأشباه الموصلات الضوئية المعروفة باسم بيروفسكايت هاليد الرصاص، والتي يمكن تغليفها برقائق بلاستيكية ومعدنية مرنة. ثم قاموا بتغطية الأجهزة بمادة البولي إيثيلين تيريفثاليت المقاومة للماء بسمك ميكرون. وكانت النتيجة هيكلًا يعمل ويبدو وكأنه ورقة شجر حقيقية.
يوضح رايزنر: "لقد وضعنا ماصات الضوء في وسط الأجهزة لحمايتها من الماء". "يجب أن يكون البيروفسكايت الحساس للرطوبة على وجه الخصوص معزولًا تمامًا."
يتم ترسيب المحفزات على جانبي الجهاز. البيروفسكايت و BiVO4 يحصدون الإشعاع الشمسي، ولكن بدلاً من إنتاج الكهرباء مثل الألواح الكهروضوئية، يستخدمون الطاقة المحصودة لتشغيل تفاعل كيميائي بدعم من المحفزات. يقول رايزنر: "يسمح لنا هذا بتوجيه الكيمياء بشكل أساسي على الألواح الشمسية - في حالتنا، تحويل غاز ثاني أكسيد الكربون الدفيئة مع الماء لإنتاج غاز صناعي، وهو ناقل مهم للطاقة الصناعية". عالم الفيزياء.
واختبر الباحثون أوراقها العائمة على نهر كام في كامبريدج، ووجدوا أنها تحول ضوء الشمس إلى وقود بنفس كفاءة أوراق النباتات الطبيعية. وبالفعل، حقق جهاز يحتوي على محفز البلاتين نشاطًا قدره 4,266 μمول H.2 g-1 h-1.
مزارع لتخليق الوقود
“أصبحت مزارع الطاقة الشمسية شائعة لإنتاج الكهرباء؛ يقول أحد أعضاء الفريق: "إننا نتصور مزارع مماثلة لتخليق الوقود". فيرجيل أندريه. "يمكن أن تزود هذه المناطق المستوطنات الساحلية أو الجزر النائية أو تغطي البرك الصناعية أو تمنع تبخر المياه من قنوات الري."
يتم توجيه تدفق السائل على السطح مستوحى من أوراق الصنوبرية
ويضيف ريزنر: "يمكن للعديد من تقنيات الطاقة المتجددة، بما في ذلك تقنيات الوقود الشمسي، أن تشغل مساحات كبيرة من الأرض، لذا فإن نقل الإنتاج إلى المياه المفتوحة يعني أن الطاقة النظيفة واستخدام الأراضي لا يتنافسان مع بعضهما البعض". "من الناحية النظرية، يمكنك طي هذه الأجهزة ووضعها في أي مكان تقريبًا، وفي أي بلد تقريبًا، وهو ما سيساعد أيضًا في تحقيق أمن الطاقة."
ويقول الباحثون إنهم سيعملون الآن على توسيع نطاق وتحسين كفاءة واستقرار أجهزتهم. يقول ريزنر: "يقوم فريقنا أيضًا بدراسة محفزات جديدة لتوسيع النطاق الكيميائي للأوراق الاصطناعية للسماح لنا بتصنيع منتجات أخرى من المواد الأولية الوفيرة، ومن الناحية المثالية، على المدى الطويل، العديد من المواد الكيميائية المختلفة حسب الطلب".
الدراسة الحالية مفصلة في الطبيعة.
