إنتاج الوقود الهيدروجيني من ماء البحر

ابتَكَر باحِثون من جامعة ستانفورد طريقةً لتوليد الوقود الهيدروجيني باستِخدام الطاقةِ الشَمسية، والأَقطاب الكَهربائية، والمياه المالحة من خَليج سان فرانسيسكو.

تُظهر النتائج التي نُشِرت في 18 آذار/مارس في وَقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم Proceedings of the National Academy of Sciences طريقةً جديدةً لفصل غاز الهيدروجين والأُكسجين من ماء البحر بواسِطة الكهرباء، تَعتَمِد الطُرق الحالية في فصل المياه على المياه النَقِية للغاية، والتي تُعد موردًا ثَمينًا وإنتاجُه مُكلفًا.

قال هونجي داي “Hongjie Dai “J.G. Jackson and C.J. Wood، بروفيسور الكيمياء في جامعة ستانفورد، وهو الكاتِب الرئيسي في البَحث: “نظريًا، لإمداد المُدن والسيارات بالطاقة نَحتاجُ الكثير من الهيدروجين الذي لا يُمكِنُ تَصوره من خلال استِخدام الماء النَقي، وبالكاد لدينا الماء الكافي لاحتِياجنا الحالي في كاليفورنيا”.

قال Dai: “إنَّ الهيدروجين اختِيارٌ جيدٌ للوقود، لأَنه لا يُخَلف ثاني أُكسيد الكَربون”، يُخلف احتِراق الهيدروجين الماء فقط ويُخفف من تَدهور المناخ.

وأكمَلَ Dai أن مُختبره أظهر إثباتًا لذلك مع عرض توضيحي، لكنَ سيترك الباحثون للمصنعين قياسَ وإنتاجَ التصميم.

معالجة التآكل

مفهوم فَصل الماء إلى هيدروجين والأُكسجين بواسطة الكهرباء يُدعى التَحليل الكهربائي، وهي فكرة قديمة وبسيطة، يَتصل المَصدر الكهربائي بقطبين موضوعين في الماء، وعند تشغيل مصدر الطاقة تَخرج فقاعات غاز الهيدروجين من القُطب السالب “cathode”، ويَظهر الأُكسجين إلى الهواء من القُطب الموجب “anode”.

لكن الكلور سالب الشُحنة في ماء البحر المالح يمكن أن يُؤدي إلى تآكل القُطب الموجب، والحد من عُمر النِظام، يُريد داي Dai وفريقه إيجاد طريقة لمَنع مكونات الماء من تكسير القُطب الموجب المغمور.
اكتشف الباحثون أنهم إذا قاموا بطلاء القُطب الموجب “anode” بطبقات غنية بشُحنة سالبة، تتنافر الطبقات مع الكلور، وتُبطئ تآكل المعادن الأساسية.

ووضعوا طبقةً من هيدروكسيد الحديد والنيكل على رأس كبريتيد النيكل، مما يغطي النيكل برغوةٍ أساسية، تعمل رغوة النيكل كموصلٍ ينقل الكهرباء من مصدر الطاقة، ويثير هيدروكسيد النيكل والحديد التحليلَ الكهربائي، ويَفصِل الماء إلى هيدروجين وأكسجين.

يتطور كبريتيد النيكل إلى طبقة شحنة سالبة التي تُنشئ القطب الموجب خلال التحليل الكهربائي، كما أن الأقطاب السالبة للمَغانِط تتنافر كذلك الأمر طبقة الشحنة السالبة تَتنافر مع الكلور، وتَمنعُه من الوصول إلى المعدن الأصلي.

قال مايكل كيني Michael Kenney، طالب مُتخرج من مختبر داي Dai وكاتب مُشارك في هذا البحث: “بدون الطبقة السالبة، يعمل القُطب الموجب “anode” نحو 12 ساعة في ماء البحر فقط، ويَكون القُطب كله قد تَفتت، لكن مع الطبقة يمكن له أن يَستَمر لآلاف الساعات”.

سَعت الدراسات السابقة لفصل ماء البحر لإنتاج الوقود الهيدروجيني باستخدام كميات قليلة من التيار الكهربائي، لأنَّ التآكل يحدث على تيارٍ عالٍ، لكنّ داي وكيني Dai, Kenney وشركاءهم كانوا قادرين على توصيل ما يصل إلى 10 أضعاف الكهرباء من خلال جهازهم متعدد الطبقات مما يساعد على توليد الهيدروجين من ماء البحر بصورةٍ أسرع.

قال داي Dai: “أعتقد أننا سجلنا رقمًا قياسيًا في التيار المُستخدم لفصل ماء البحر”.

لقد أجرى أعضاء الفريق معظم اختباراتهم في مختبرات يتحكمون في ظروفها، حيث يُمكِنهم ضبط كمية الكهرباء الداخلة إلى النظام، لكنهم صمموا آلة تعمل بالطاقة الشمسية تُنتِج الهيدروجين والأكسجين من ماء البحر الذي جُمع من خليج سان فرانسيسكو.

وبِدون خطر التآكل بسبب الأملاح، يُكافئ هذا الجهاز التكنولوجيا التي تَستَخدم الماء النَقي، قال كيني Kenney: “إن المُثير حول هذه الدراسة هو أننا كنا قادرين على تشغيل تيار كهربائي مثل المستخدَم حاليًا في الصناعة “.

المثير للدهشة ببساطة

بالنظر للخلف، يمكن لداي وكيني Dai & Kenney رؤية بساطة تَصميمهم، قال داي Dai: “إذا امتلكنا كُرة كريستال قبل ثلاث سنوات كان من المُمكن أن تُنجز في شهر”، لكن الآن بعد أن بَرزت الطريقة الأساسية للتحليل الكهربائي لماء البحر، الطريقة الجديدة تَفتح الأبواب أَمام زيادة في وفرة الوقود الهيدروجيني المنتج من الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح.

في المُستقبل من المُمكن أن تُستخدم هذه التكنولوجيا لتوليد الطاقة، كما أَن العملية تٌنتج أُكسجين للتنفس؛ مما يُمَكّن الغطاسين أو الغواصات من استِخدام هذا الجهاز في المحيط لتوليد الأُكسجين دون الحاجة للاتصال بالسطح للهواء.

من حيث نقل التكنولوجيا، قال داي Dai: “يمكن للفرد استِخدام هذه العناصر في أنظِمة المُحلل الكهربائي القائمة والتي من المُمكن أن تكون سريعة، إنها ليست مثل البَدء من الصفر إِنها أَقرب للبدء من 80 أو 90 بالمئة”.

المصدر