توليد الوقود الهيدروجيني من مياه البحر

يبتكر الباحثون طريقة جديدة لتوليد الوقود الهيدروجيني hydrogen fuel من مياه البحر 

ابتكر باحثون من جامعة ستانفورد Stanford researchers طريقة لتوليد الوقود الهيدروجيني، و ذلك  باستخدام الطاقة الشمسية والأقطاب الكهربائية والمياه المالحة من خليج سان فرانسيسكو San Francisco Bay .

و توضح النتائج ، التي نشرت في 18 آذار/ مارس في اجتماعات الأكاديمية الوطنية للعلوم

the National Academy of Sciences

، طريقة جديدة لفصل غاز الهيدروجين hydrogen ، و غاز الأكسجين oxygen من مياه البحر عن طريق الكهرباء. و تعتمد طرق تفكيك المياه الحالية على المياه النقية للغاية ، والتي تعد مورداً ثميناً ومكلفاً  في الإنتاج.

 

و قد علق  كل من هانغجي داي Hongjie Dai و جاكسون  J.G. Jackson وسيج وود C.J. Wood أستاذ الكيمياء في جامعة ستانفورد Stanford و هو مؤلف مشارك في البحث  أنه ومن الناحية النظرية ، ولتزويد المدن والسيارات بالطاقة ، " فإننا سنحتاج إلى الكثير من الهيدروجين ولا يمكن تصور استخدام المياه النقية " . و يضيف : " إنه وبالكاد لدينا ما يكفي من المياه لتلبية احتياجاتنا الحالية في كاليفورنيا."

 

لماذا الوقود الهيدروجيني ؟

كما أضاف داي Dai أن الهيدروجين Hydrogen يعتبر خياراً محبباً للوقود لأنه لا ينبعث منه ثاني أكسيد الكربون carbon dioxide . ويؤكد داي Dai -أيضاً- أنه لا ينتج عن حرق الهيدروجين سوى الماء ، ويجب أن يخفف من مشاكل تغير المناخ المتفاقمة.

وقال داي إن مختبره أظهر دليلاً على المفهوم مع عرض توضيحي و تجريبي ، إلا أن الباحثون سيتركون الأمر للمصنعين لجدولة و تجميع إنتاج التصميم .

 

معالجة التآكل أو الصدأ corrosion :

يطلق  التحليل الكهربائي- كمفهوم- على عملية تقسيم  أو تفكيك الماء إلى هيدروجين وأكسجين بالكهرباء  - وهو عبارةعن فكرة بسيطة وقديمة :حيث يتصل مصدر الطاقة بقطبين كهربائيين يوضعان في الماء. وعندما يتم تشغيل الطاقة ، تخرج فقاعات غاز الهيدروجين من الطرف السلبي - و الذي يطلق عليه الكاثودcathode   (أشعة الكاثود أو القطب الكهربائي السالب)- ويظهر الأكسجين القابل للتنفس في النهاية الإيجابية – و يسمى الأنود anode (القطب الكهربائي الموجب) .

و لكن الكلوريد chloride السالب الشحنة في ملح ماء البحر يمكن أن يؤكسد النهاية الإيجابية ، مما يحد من عمر النظام. ومن أجل ذلك ، أراد داي Dai وفريقه إيجاد طريقة لمنع مكونات مياه البحر من تحطيم و تدمير الأنودات المغمورة بالماء anodes (الأقطاب الكهربائية الموجبة) .

 

واكتشف الباحثون أنهم إذا قاموا بتغطية القطب الكهربائي الموجب anode بطبقات غنية بالشحنات السلبية ، فإن الطبقات ستعمل على صد و تثبيط الكلوريد chloride ، كما أنها تقوم بإبطاء تآكل المعدن الأساسي.

فقد قاموا بتطبيق طبقة  من هيدروكسيد النيكل والحديد nickel-iron hydroxide فوق كبريتيد النيكل nickel sulfide ( sulfide = مركب ثنائي الكبريت مع عنصر أو مجموعة أخرى.) ، والذي يغطي نواة النيكل الرغوية.  حيث تعمل رغوة النيكل كموصل conductor - أي تنقل الكهرباء من مصدر الطاقة – و يحرض هيدروكسيد حديد النيكل nickel-iron hydroxide عملية التحليل الكهربائي electrolysis ، مؤدياً إلى فصل الماء إلى أكسجين وهيدروجين. و أثناء التحليل الكهربائي ، يتطور كبريتيد النيكل nickel sulfide  بشكل تدريجي إلى طبقة سالبة الشحنة تحمي الأنود (القطب الكهربائي الموجب) . و تماماً كما تقوم النهايات السلبية لمغناطيسين اثنين بدفع بعضها البعض ، فإن الطبقة المشحونة سلباً تتصدى للكلوريد وتمنعه من الوصول إلى قلب المعدن .

 

ووفقاً لما ذكره مايكل كيني Michael Kenney ، وهو طالب دراسات عليا في مختبر داي Dai lab  ، ومؤلف مشارك في البحث : أنه وبدون الغطاء (الطبقة الخارجية) المشحون سلباً ، فإن الأنود (القطب الكهربائي الموجب) يعمل لمدة 12 ساعة فقط في مياه البحر ،. وقال كيني : "ينهار القطب بأكمله إلى شيءٍ مفتت ."  و يتابع قائلاً : " ولكن بوجود هذه الطبقة أصبح بإمكانه (الأنود) أن يعمل لأكثر من ألف 1,000 ساعة."

 

عملية إنتاج الوقود الهيدروجيني من مياه البحر في تسارع مطرد

و لقد كانت الدراسات السابقة التي حاولت تقسيم مياه البحر للحصول على الوقود الهيدروجيني hydrogen fuel  قد مررت كميات منخفضة من التيار الكهربائي ، و ذلك لأن التآكل يحدث عند تمرير التيارات العالية . و لكن داي Dai ، وكيني Kenney وزملاؤهم تمكنوا من توفير ما يصل إلى أكثر من عشرة 10 أضعاف كمية الكهرباء من خلال جهازهم المتعدد الطبقات ،  الأمر الذي يساعده على توليد الوقود الهيدروجيني من مياه البحر بمعدل أسرع.

 

وقال داي Dai : " أعتقد أننا سجلنا رقماً قياسياً فيما يتعلق بالتيارالكهربائي لتقسيم و تفكيك مياه البحر."

 

و قد قام أعضاء الفريق بإجراء معظم اختباراتهم في ظروف مخبرية مخطط لها بشكل محكم ، حيث كان بإمكانهم تنظيم كمية الكهرباء التي تدخل النظام . و لكنهم صمموا أيضاً آلة تعمل بالطاقة الشمسية solar-powered demonstration machine ، و التي أنتجت غاز الهيدروجين والأكسجين من مياه البحر التي تم جمعها من خليج سان فرانسيسكو Francisco Bay .

 وبدون خطر التعرض للتآكل و الصدأ بسبب الأملاح ، فإن هذا الجهاز يعادل التقنيات الحالية التي تستخدم الماء النقي والمصفى . و ذكر كيني Kenney  ذلك بقوله : " إن الشيء المثير للإعجاب في هذه الدراسة هو أننا كنا قادرين على العمل في التيارات الكهربائية التي هي نفسها المستخدمة في الصناعة اليوم". 

(الجهاز) بسيط إلى درجة مثيرة للدهشة :

لقد أمكن و بالنظر إلى الوراء ، أن يرى كل من  داي Dai وكيني Kenney بساطة تصميمها. وقال داي Dai :"لو كان لدينا كرة بلورية قبل ثلاث سنوات ، لكان ذلك قد تم وفي غضون شهر". ولكن الآن ، وبعد أن تم اكتشاف الوصفة الأساسية لإجراء عملية التحليل الكهربائي electrolysis بمياه البحر، فإن هذه الطريقة الجديدة ستفتح الأبواب لزيادة توفيرالوقود الهيدروجيني hydrogen fuel الذي يعمل بالطاقة الشمسية أو طاقة الرياح.

 

أما بالنسبة  للمستقبل ، فإنه من الممكن استخدام التكنولوجيا لأغراض تتجاوز توليد الطاقة. ونظراً لأن العملية تنتج أيضاً الأكسجين القابل للتنفس ، فإنه يمكن للغواصين أو للغواصات البحرية إحضار الأجهزة إلى المحيط وتوليد الأكسجين هناك في الأسفل دون الحاجة إلى  الصعود للسطح من أجل الهواء.

 

و كما يقول داي Dai فيما يتعلق بنقل التكنولوجيا فإنه : " يمكن للمرء فقط استخدام هذه العناصر في أنظمة التحليل الكهربائي electrolyzer systems الحالية ومن الممكن أن يكون ذلك سريعاً للغاية ". ويضيف  "

إن الأمر لا يشبه البدء من الصفر - إنه أشبه ما يكون بالبدء من 80% أو 90% في المائة." المصدر