ابتكار جهاز يولّد الهيدروجين من مياه البحر غير المعالجة

وجد علماء طريقة ذكية لتوليد الهيدروجين مباشرة من مياه البحر المالحة. قد تكون هذه خطوة أخرى نحو مستقبل للطاقة النظيفة إذا كانت مصادر الطاقة المتجددة هي التي تمد العملية بالطاقة.
ويُجري الجهاز الجديد بعض التعديلات الكيميائية على التقنيات الحالية، ما يجعل من الممكن استخراج الهيدروجين من مياه البحر غير المعالجة وغير النقية ؛ الأمر الذي قد يخفف من المخاوف بشأن استخدام إمدادات المياه الثمينة.
ويوضح المهندس الكيميائي شيشانغ كياو من جامعة أدليد الأسترالية «لقد قسمنا مياه البحر الطبيعية إلى أكسجين وهيدروجين من أجل إنتاج الهيدروجين الأخضر عن طريق التحليل الكهربائي باستخدام محفز غير ثمين ورخيص في محلل كهربي تجاري»، وذلك وفق ما نشر موقع «ساينس إليرت» العلمي المتخصص.
تقليديا، تم تصنيع وقود الهيدروجين باستخدام الغاز الطبيعي، لكن يمكن أيضًا صنعه من خلال التحليل الكهربائي؛ والتحليل الكهربائي هو تفاعل تقسيم الماء الذي يستخدم الكهرباء لإخراج ذرات الهيدروجين من جزيئات الماء على شكل كوع، والمحلل الكهربائي هو جهاز يحدث فيه ذلك.
وفي الوقت الحالي، يمكن تحقيق هذه العملية باستخدام الكهرباء من الوقود الأحفوري أو من مصادر الطاقة المتجددة، لكن كلا النظامين يتطلبان مياها عذبة. وإن إيجاد طريقة لتحقيق التحليل الكهربائي بمياه البحر يمكن أن يجعل مستقبل إنتاج وقود الهيدروجين الأخضر أكثر استدامة.
وكان الباحثون يحاولون تطوير بديل للمحلل الكهربائي التجاري، الذي يعمل فقط مع المياه العذبة النقية، خوفًا من نقص المياه.
وتشكل المياه العذبة التي يمكن الوصول إليها 1 في المائة فقط من إجمالي المياه على كوكب الأرض، وهناك تقريبًا إمدادات غير محدودة من مياه البحر التي يمكن استخدامها.
وفي حين أن المخاوف بشأن ندرة المياه صحيحة، تشير التقديرات الأخيرة إلى أن كمية المياه اللازمة للحفاظ على استخدام الهيدروجين في المستقبل أقل بكثير من تريليونات لترات المياه المستخدمة لاستخراج وحرق الوقود الأحفوري اليوم. ومع ذلك، لا يزال العلماء يدركون الآثار البيئية؛ فعلى مدى عقود كانوا يحاولون تطوير أجهزة لإنتاج الهيدروجين من مياه البحر، لكنهم ظلوا يواجهون عدة عقبات.
فعندما تنفجر في محلل كهربي، فإن أيونات الكلور غير المرغوب فيها بمياه البحر تؤدي إلى تآكل المواد المحفزة التي تهدف إلى دفع تفاعل تقسيم الماء الذي ينتج الهيدروجين. فيما تتشكل أيضًا رواسب غير قابلة للذوبان ضخمة تسد مواقع التفاعل وتعوق الإنتاج على نطاق واسع. لكن النظام الجديد الذي طوره كياو يتجنب هاتين المشكلتين.
وكما هو موضح في ورقتهم الجديدة، وضع الباحثون طبقة من مادة حمض لويس الصلبة على سلسلة من محفزات أكسيد الكوبالت الشائعة لتقسيم جزيئات الماء.
وفي سلسلة من الاختبارات، قاومت المحفزات المعدلة هجوم الكلور ومنعت أي رواسب من التكون.
لذلك كتب الباحثون في ورقتهم المنشورة «هذه استراتيجية عامة يمكن تطبيقها على محفزات مختلفة دون الحاجة إلى محفزات مصممة خصيصًا وتصميم المحلل الكهربي».
وعلى الرغم من أن هذا يبدو واعدًا، إلا أن الجهود المبذولة منذ عقود لتطوير المحلل الكهربائي لمياه البحر يجب أن تكون بمثابة تذكير بالتحديات المقبلة في تسويق هذه التقنية أو أي تقنية أخرى.
وفي هذا الاطار، أشار الباحثون إلى أن «التحليل الكهربي المباشر لمياه البحر بدون عملية التنقية والإضافات الكيميائية أمر جذاب للغاية وقد تم فحصه لمدة 40 عامًا تقريبًا، لكن لا تزال التحديات الرئيسية لهذه التكنولوجيا في كل من هندسة المحفزات وتصميم الأجهزة». فيما يعد التقدم الأخير مشجعًا؛ حيث يعد الجهاز الجديد أحد المحاولات الواعدة لتوليد الهيدروجين من مياه البحر.
فعلى سبيل المثال، طور علماء من الصين وأستراليا مؤخرًا نموذجًا أوليًا لجهاز مصمم ليطفو على سطح المحيط ويفصل الهيدروجين عن مياه البحر باستخدام الطاقة الشمسية. وهناك نموذج أولي آخر يتخذ نهجًا مختلفًا تمامًا حيث يجمع المياه من الهواء الرطب قبل استخراج الهيدروجين.
بالطبع، النماذج الأولية بعيدة كل البعد عن أساليب النطاق الصناعي، لذا فان من الجيد أن يكون لديك مزيج صحي من الأنظمة المحتملة في خط الأنابيب لمعرفة أي منها يقدم. وعليه، يعمل كياو وزملاؤه على توسيع نطاق نظامهم باستخدام محلل كهربائي أكبر. علما ان العديد من العوامل يمكن أن تصنع تقنية محتملة أو تحطمها.
ويتلخص تسويق أي عملية في تكلفة المواد ومدخلات الطاقة والكفاءة على نطاق واسع؛ حيث يمكن للمكاسب الصغيرة أن تحدث فرقًا كبيرًا في كمية الهيدروجين التي يتم إنتاجها؛ فالكوبالت، المادة المستخدمة في محفزات أكسيد الفلز، لا تخلو أيضًا من مشاكلها. ومثل أي معدن ثمين يستخدم في البطاريات أو الألواح الشمسية، يجب تعدينه بشكل مستدام وإعادة تدويره حيثما أمكن ذلك.
وبعد اختبار متانة تركيبهم الجديد، يعتقد كياو وزملاؤه أن محفزاتهم المعدلة يمكن أن تقطع المسافة. ويمكن لنظامهم تقديم نواتج مماثلة لمحلل كهربائي تجاري تحت نفس درجات الحرارة المنخفضة وظروف التشغيل. لكن مع قيام باحثين آخرين بخطوات واسعة لتحسين كفاءة المحلل الكهربائي التقليدي بشكل مطرد، فهو تحد للجميع.