إنتاج وقود صديق للبيئة بمحاكاة التمثيل الضوئي

كان لتغير المناخ خلال العقود الأخيرة دور بارز في توجيه أنظار العلماء إلى استحداث سبل متطورة تسمح بإنتاج كميات هائلة من الطاقة المستدامة، وذلك للحد من انبعاثات الغازات الدفيئة الناتجة عن استخدام النفط.

قضى عالم البيولوجيا هاينز فراي وفريقه البحثي من مختبر لورنس بيركلي الوطني في جامعة كاليفورنيا عقودا في البحث عن نموذج صناعي يحاكي أكثر آلات الطبيعة فاعلية وتأثيرا وهي أوراق النباتات.

وقد طور الفريق نموذجا صناعيا مستوحى من عملية التمثيل الضوئي (وهي العملية التي تقوم بها النباتات والطحالب لتحويل الطاقة الضوئية من الشمس إلى طاقة كيميائية باستخدام غاز ثاني أكسيد الكربون).

واستهدف النموذج إنتاج وقود من غاز ثاني أكسيد الكربون يمكنه تزويد المنازل والسيارات بالطاقة اللازمة.

ونشر فراي وفريقه بحثهم في دورية "أدفانسيد فانكشنال ماتيريالز" (Advanced Functional Materials).

مربع صغير

تتكون الوحدة الفردية للنموذج من مربع صغير (بلاطة شمسية) تبلغ مساحته عدة بوصات، ويحتوي على مليارات من الأنابيب النانومترية (متناهية الصغر)، وهذه الأنابيب محصورة بين طبقتين رقيقتين من السيليكا المرنة تخترقها فتحات الأنابيب من الأعلى والأسفل.

كل أنبوب نانوي (قطره 0.5 ميكرومتر=500 نانومتر) مجوف يحتوي على ثلاث طبقات، الطبقة الداخلية تتكون من أكسيد الكوبالت، وتتكون الطبقة الخارجية من أكسيد التيتانيوم، وتفصل بينهما طبقة من السيليكا.

ويسمح هذا التصميم بإتمام عملية التمثيل الضوئي في مساحة صغيرة جدا، مما يقلل فقد الطاقة وإهدارها أثناء التفاعل، كما سيمنع وقوع أي تفاعلات أخرى قد تتسبب في انخفاض كفاءة النموذج.

محاكاة البلاستيدات

ويقول الباحث الرئيس في الدراسة وون جون جو -في البيان الصحفي الصادر في 19 مارس/آذار الماضي- "إن ضوء الشمس يخترق الطبقة الداخلية ليفصل جزيئات الماء التي تسللت إلى الأنبوب من رطوبة الجو إلى غاز الهيدروجين "إتش2" (شحنات موجبة) وغاز الأكسجين "أو2" (شحنات سالبة)".

ويشرح وون جون أنه "لإنتاج الوقود تسمح الأنابيب بتدفق الهيدروجين "إتش2" إلى الخارج ليتفاعل مع ثاني أكسيد الكربون "سي أو2" في الهواء".

وفي المرحلة الراهنة، فإن هذا الوقود كما يقول جون "هو غاز أول أكسيد الكربون "سي أو"، ونسعى في المراحل المتقدمة إلى تحويله لسائل الميثانول "سي إتش3 أو إتش" بواسطة طبقة أكسيد التيتانيوم، وفي النهاية سيستقر الوقود في الفراغات الكامنة بين الأنابيب، ويمكننا جمعه بسهولة ويسر".

وأوضح وون جون أن "أهمية الطبقة الوسطى تكمن في الاحتفاظ بالأكسجين، وفي الوقت ذاته تعمل كحجاب لمنع مرور غاز "سي أو 2" إلى داخل الأنابيب مثلما تفعل الأغشية داخل البلاستيدات الخضراء في النباتات".

تحديات مستقبلية

ويقول فراي في البيان الصحفي "سنواجه تحديين في المستقبل إذا أردنا تقليص استخدامنا للنفط والاحتفاظ به في باطن الأرض، الأول يتمثل في إمكانية التوسع لإنتاج كميات هائلة من هذا الوقود، والآخر يتمثل في إنتاج وقود هيدروكربوني في صورته السائلة، أي الميثانول".

وأضاف "نحن كعلماء يتعين علينا التوصل لأفضل نموذج يعمل بأفضل أداء يفي بهذه المتطلبات، ثم يأتي دور المهندسين في التوصل إلى الطريقة المثلى لربط البلاط مع بعضه البعض وإنشاء مزارع وقود شمسي كبيرة، فإذا تمكنا من تطوير واكتشاف نموذج تبلغ مساحته عدة بوصات فسنتوصل حتما إلى نموذج على مساحة أميال".