تطوير ألواح شمسية ذات كفاءة عالية لتوفير هيدروجين رخيص ومستدام

أكفأ بـ10 مرات من سابقاتها وتعدّ قفزة تكنولوجية كبيرة

حقق نوع جديد من الألواح الشمسية تم تطويره بجامعة ميتشيغان كفاءة بنسبة 9 % في تحويل المياه إلى هيدروجين وأكسجين (محاكية خطوة حاسمة في عملية التمثيل الضوئي الطبيعي في الهواء الطلق) يمثل قفزة كبيرة في التكنولوجيا، ما يقرب من 10 مرات أكثر كفاءة من تجارب فصل المياه بالطاقة الشمسية من نوعها.
لكن الفائدة الأكبر هي خفض تكلفة الهيدروجين المستدام. إذ يتم تمكين ذلك عن طريق تقليص أشباه الموصلات، وعادةً ما يكون الجزء الأغلى في الجهاز؛ حيث تقاوم أشباه الموصلات ذاتية الشفاء الخاصة بالفريق ضوءًا مركّزًا يعادل 160 شمسًا.
وحاليًا، ينتج البشر الهيدروجين من ميثان الوقود الأحفوري باستخدام قدر كبير من الطاقة الأحفورية في هذه العملية. ومع ذلك، تحصد النباتات ذرات الهيدروجين من الماء باستخدام ضوء الشمس.
وبينما تحاول البشرية تقليل انبعاثات الكربون، فإن الهيدروجين جذاب كوقود قائم بذاته وكمكون في الوقود المستدام المصنوع من ثاني أكسيد الكربون المعاد تدويره. وبالمثل، فهو ضروري للعديد من العمليات الكيميائية مثل إنتاج الأسمدة.
وفي توضيح أكثر لهذا الأمر، يقول الدكتور زيتيان مي أستاذ الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسبات بجامعة U-M الذي قاد الدراسة «في النهاية، نعتقد أن أجهزة التمثيل الضوئي الصناعي ستكون أكثر فاعلية بكثير من التمثيل الضوئي الطبيعي، والتي ستوفر طريقًا نحو حيادية الكربون»، وفق ما نشرت مجلة «نيتشر» العلمية ونقلها موقع «phys.org» العلمي المتخصص.
ووفق الدكتور بينج زو زميل أبحاث U-M في الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر المؤلف الأول للدراسة «النتيجة المتميزة تأتي من تقدمين؛ الأول هو القدرة على تركيز ضوء الشمس دون تدمير أشباه الموصلات التي تسخر الضوء... فلقد قللنا حجم أشباه الموصلات بأكثر من 100 مرة مقارنة ببعض أشباه الموصلات التي تعمل فقط في شدة الإضاءة المنخفضة. وان الهيدروجين الذي تنتجه تقنيتنا قد يكون رخيصًا للغاية... والثاني هو استخدام جزء الطاقة الأعلى من الطيف الشمسي لتقسيم الماء والجزء السفلي من الطيف لتوفير الحرارة التي تشجع التفاعل. حيث يتم تمكين هذا من خلال محفز أشباه الموصلات الذي يحسّن نفسه مع الاستخدام ويقاوم التدهور الذي تتعرض له هذه المحفزات عادةً عندما تسخر ضوء الشمس لتحريك التفاعلات الكيميائية... بالإضافة إلى التعامل مع شدة الإضاءة العالية، يمكن أن تعمل درجات الحرارة المرتفعة على تسريع عملية تقسيم الماء، كما تشجع الحرارة الزائدة على بقاء الهيدروجين والأكسجين منفصلين بدلاً من تجديد روابطهما وتشكيل الماء مرة أخرى. وكلاهما ساعد الفريق على حصاد المزيد من الهيدروجين».
أما بالنسبة للتجربة الخارجية، فقد قام زو بإعداد عدسة حول حجم نافذة المنزل لتركيز ضوء الشمس على لوحة تجريبية لا يتجاوز عرضها بضع بوصات. وداخل تلك اللوحة تمت تغطية محفز أشباه الموصلات بطبقة من الماء مع فقاعات مع غازي الهيدروجين والأكسجين التي انفصلت عنها. علما أن المحفز مصنوع من هياكل نانوية (نيتريد الغاليوم الإنديوم) نمت على سطح السيليكون، فيما تلتقط رقاقة أشباه الموصلات الضوء وتحوله إلى إلكترونات وثقوب حرة؛ وتتخلل الهياكل النانوية كرات معدنية نانوية قطرها 1/2000 جزء من المليمتر تستخدم تلك الإلكترونات والثقوب للمساعدة في توجيه التفاعل.
وفي الأخير تحافظ الطبقة العازلة البسيطة الموجودة أعلى اللوحة على درجة حرارة دافئة 75 درجة مئوية أو 167 درجة فهرنهايت دافئة بدرجة كافية للمساعدة في تشجيع التفاعل مع كونها باردة بدرجة كافية حتى يعمل محفز أشباه الموصلات بشكل جيد.
أما النسخة الخارجية من التجربة؛ فمع ضوء الشمس ودرجة الحرارة الأقل موثوقية حققت كفاءة بنسبة 6.1 % في تحويل الطاقة من الشمس إلى وقود هيدروجين. ومع ذلك، حقق النظام في الداخل كفاءة بنسبة 9 %.
وتتمثل التحديات التالية التي يعتزم الفريق معالجتها في زيادة تحسين الكفاءة وتحقيق الهيدروجين عالي النقاء الذي يمكن تغذيته مباشرة في خلايا الوقود.