نهج بسيط لإنتاج «الهيدروجين الأخضر» بتكلفة منخفضة

«كاوست» تطور أقطابا كهربائية أرخص بأداء مرتفع

نهج بسيط لإنتاج «الهيدروجين الأخضر» بتكلفة منخفضة
TT

نهج بسيط لإنتاج «الهيدروجين الأخضر» بتكلفة منخفضة

نهج بسيط لإنتاج «الهيدروجين الأخضر» بتكلفة منخفضة

برز مصطلح «الهيدروجين الأخضر» في المدة الأخيرة بوصفه وقوداً بديلاً صديقاً للبيئة خالياً من الانبعاثات الكربونية. وهو ينتَج بواسطة التحليل الكهربائي للماء بالاعتماد على الطاقة المتجددة، فتفصل جزيئات الهيدروجين فيه عن جزئيات الأكسجين.
رغوة معجنية
وفي سعيهم إلى الوصول لأعلى كفاءة وفاعلية إنتاجية، توصل باحثو «جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (كاوست)» إلى نهج بسيط لإنتاج «الهيدروجين الأخضر» بتكلفة منخفضة، معتمدين في ذلك على أحد أنواع الرغوة المعدنية، وهي هيكل مسامي خلوي يتكون من مادة صلبة معدنية (غالباً الألمنيوم) مليئة بالغاز.
يقول البروفسور ماني ساراثي، أستاذ الهندسة الكيميائية والمدير المشارك لـ«مركز أبحاث الاحتراق النظيف» في «كاوست»: «ظل الهيدروجين مصدر الطاقة النظيفة المنسي منذ عقود، وتحديداً منذ أن جرى اقتراحه لأول مرة مصدراً للطاقة المتجددة، ولكن ساهمت في تهميشه تقنيات ارتبطت به، مثل خلايا وقود الهيدروجين، التي فشلت في اللحاق بمصادر الطاقة النظيفة الأخرى المنتشرة اليوم مثل الرياح والطاقة الشمسية». ويضيف: «ولكن بفضل بعض التطورات التقنية الحديثة، والجهود البحثية التي قامت بها جهات عالمية بارزة مثل (كاوست)، فضلاً عن استدراك أهمية مصادر الطاقة البديلة في الخطط الحكومية لمواجهة تبعات تغيّر المناخ، فقد تكون الفرصة سانحة اليوم لِعَدّ الهيدروجين مصدراً للطاقة البديلة أكثر من أي وقت مضى».
يذكر أن المملكة العربية السعودية قد قطعت شوطاً كبيراً ضمن إطار «رؤية 2030» في تنويع مصادر الطاقة؛ فقد توجّهت بوصلتها لتحجز مكانها ضمن قائمة الدول الرائدة في قطاع الطاقة المتجددة في خضم التوجه العالمي الواسع نحو الطاقة النظيفة للحد من تغير المناخ. وكذلك في إطار سعيها الدائم نحو تحقيق طفرة نوعية في مختلف المجالات والقطاعات، بعيداً من الاعتماد الأساسي على النفط.
إنتاج الهيدروجين المتجدد
يوضح ساراثي أن «إنتاج الهيدروجين الأخضر يعتمد على عملية تسمى (التحليل الكهربائي)، يجري خلالها تمرير تيار كهربائي لفصل جزيئات الماء إلى ذرات هيدروجين وأكسجين. وعند إنتاج الهيدروجين بهذه الطريقة، فإن الناتج الثانوي الوحيد هو الماء، ومع ذلك نستطيع توليد طاقة نظيفة يمكن استخدامها في الصناعة والنقل... وغيرهما. لكن المعضلة تكمن في أن تقنيات التحليل الكهربائي للمياه اليوم مكلفة جداً، وتتطلب مياهاً محلاة عالية النقاء يصعب توفرها في المناطق الصحراوية».
وللتغلب على ذلك، تجري «كاوست» أبحاثاً فريدة في طرق التحليل الكهربائي المباشر لمياه البحر لتجنب الحاجة إلى عملية التحلية أو استخدام المياه النقية، بالإضافة إلى قيامها بأبحاث تستهدف إنتاج مواد جديدة ومتينة للمحللات الكهربائية، تساهم في خفض تكلفة هذه العمليات، وتطويرها خوارزميات مدعومة بتقنية الذكاء الصناعي المخصصة لتحسين أداء أجهزة التحليل الكهربائي.
ولا تقتصر جهود الجامعة البحثية على تطوير عملية التحليل الكهربائي فقط؛ بل تشمل أيضاً ابتكار طرق أخرى لاستخدام الهيدروجين بعد إنتاجه، ووضع حلول لعملية نقل الهيدروجين، التي تعدّ التحدي الرئيسي في هذه العملية برمتها.
يذكر أن «كاوست» دخلت أيضاً في شراكة مع «نيوم»؛ مدينة المستقبل التي من المتوقع تشغيلها بالكامل من خلال الطاقة المتجددة، وسيكون «الهيدروجين الأخضر «جزءاً مهماً من اقتصاد المدينة».
الاستراتيجية الجديدة
النهج أو الاستراتيجية الجديدة التي توصل إليها الفريق البحثي بقيادة الدكتور برافين بابار، الباحث فيما بعد مرحلة الدكتوراه في «مختبر البروفسور كافير يافوز»، وقائد الفريق البحثي القائم على الدراسة أخيراً، يقول عنه: «تغليف الرغوة تغليفاً مُحكماً بمواد نانوية من الحديد والكوبالت يُنتج قطباً كهربائيّاً عالي النشاط في جهازٍ يفصل جزيئات الماء ليتصاعد الأكسجين والهيدروجين، اللذان قد يدخلان في إنتاج وقود الهيدروجين الأخضر». والمواد النانوية مجموعة من الحبيبات تحتوي على عدد من الذرات، وقد تكون هذه الحبيبات مرئية أو غير مرئية بالعين المجردة بناء على حجمها، ويتراوح حجم المواد النانوية بين 1 و100 نانومتر.
وظهرت الحاجة إلى استحداث طرق لتحويل الكهرباء المتجددة إلى وقود خالٍ من الكربون يمكن تخزينه ونقله واستخدامه لاحقاً؛ نظراً إلى أن توليد الكهرباء من الرياح والطاقة الشمسية يحدث على أوقات متقطعة.
يوضح بابار: «يُعَدّ الفصل الكهروكيميائي للماء طريقة عملية لتحقيق تلك الغاية. ويمكن توظيف جهاز كهروكيميائي في تفكيك جزيئات الماء باستخدام الكهرباء المتجددة، مما يطلق الأكسجين عند القطب السالب (الأنود) والهيدروجين عند القطب الموجب (الكاثود)».
يُذكر أن أجهزة فصل الماء عالية الأداء الحالية تعتمد على أقطاب كهربائية مصنوعة من معادن نادرة وباهظة الثمن، مما يحد من انتشارها واستعمالها على نطاق واسع. يقول بابار: «أجرينا الدراسة بدافع استبدال (الأنود) القائم على معدن نفيس في أنظمة فصل الماء، وتقليل التكاليف، وتعزيز الإنتاج الضخم بطريقة سهلة، مع عدم المساس بالأداء، لذا ابتكرنا استراتيجية لهندسة السطح البيني الفاصل، تعتمد على مواد تكلفتها أقل وأداؤها يكاد يضاهي أداء (الأنود) المتعارف عليه والقائم على معادن نفيسة».
وباتباع نهج كيميائي بسيط وسريع وقابل للتطوير يعتمد على مواد كيميائية سائلة، استطاع الفريق تخليق صفائح نانوية ثنائية الأبعاد، وابتكار مادة تجمع بين القدرة العالية على التوصيل الكهربائي وتغطية مساحة سطح كبيرة بكثير من المواقع النشطة لإنتاج الأكسجين الجزيئي (O2). وقد تبيَّن أن هذه المادة تتمتع بالمتانة أيضاً؛ إذ لم يُرصد أي تراجع في أدائها بعد 50 ساعة من الاستخدام المتواصل.
يُعلق بابار بأنه «استناداً إلى الأداء المميز الذي أظهرته هذه المادة في تفاعل توليد الأكسجين، ونظراً إلى خواصها الحركية، واستقرارها طويل الأمد عند ارتفاع شدة التيار مقارنة بالمحفِّزات الأخرى - التي أُعلن عنها أخيراً - فهي أنسب المواد المرشَّحة لصنع قطب كهربائي منخفض التكلفة يمكن الاستفادة منه في تفاعل توليد الأكسجين».
ويعتقد يافوز أن نتائج الجمع المُحكَم بين مواد نانوية عدة في مادة واحدة لصنع قطب كهربائي، كانت مفاجأة سارة بوصفها بداية لابتكار نظام مستدام يؤدي عملية فصل الماء بصورة شاملة لا تقتصر على تفاعل توليد الأكسجين فقط.


مقالات ذات صلة

علماء ينتجون «نموذج جنين بشري» في المختبر

علوم النموذج تم تطويره باستخدام الخلايا الجذعية (أرشيف - رويترز)

علماء ينتجون «نموذج جنين بشري» في المختبر

أنتجت مجموعة من العلماء هيكلاً يشبه إلى حد كبير الجنين البشري، وذلك في المختبر، دون استخدام حيوانات منوية أو بويضات.

«الشرق الأوسط» (لندن)
علوم الهياكل الشبيهة بالأجنة البشرية تم إنشاؤها في المختبر باستخدام الخلايا الجذعية (أرشيف - رويترز)

علماء يطورون «نماذج أجنة بشرية» في المختبر

قال فريق من الباحثين في الولايات المتحدة والمملكة المتحدة إنهم ابتكروا أول هياكل صناعية في العالم شبيهة بالأجنة البشرية باستخدام الخلايا الجذعية.

«الشرق الأوسط» (لندن)
علوم علماء يتمكنون من جمع حمض نووي بشري من الهواء والرمال والمياه

علماء يتمكنون من جمع حمض نووي بشري من الهواء والرمال والمياه

تمكنت مجموعة من العلماء من جمع وتحليل الحمض النووي البشري من الهواء في غرفة مزدحمة ومن آثار الأقدام على رمال الشواطئ ومياه المحيطات والأنهار.

«الشرق الأوسط» (نيويورك)
علوم صورة لنموذج يمثل إنسان «نياندرتال» معروضاً في «المتحف الوطني لعصور ما قبل التاريخ» بفرنسا (أ.ف.ب)

دراسة: شكل أنف البشر حالياً تأثر بجينات إنسان «نياندرتال»

أظهرت دراسة جديدة أن شكل أنف الإنسان الحديث قد يكون تأثر جزئياً بالجينات الموروثة من إنسان «نياندرتال».

«الشرق الأوسط» (لندن)
علوم دراسة تطرح نظرية جديدة بشأن كيفية نشأة القارات

دراسة تطرح نظرية جديدة بشأن كيفية نشأة القارات

توصلت دراسة جديدة إلى نظرية جديدة بشأن كيفية نشأة القارات على كوكب الأرض مشيرة إلى أن نظرية «تبلور العقيق المعدني» الشهيرة تعتبر تفسيراً بعيد الاحتمال للغاية.

«الشرق الأوسط» (لندن)

«خيال علمي تقريباً»... العلماء يرجحون أن شكل اللب الداخلي للأرض يتغير

يُعدُّ اللب الداخلي هو الأكثر بُعداً وغموضاً من بين جميع طبقات الأرض (سي إن إن)
يُعدُّ اللب الداخلي هو الأكثر بُعداً وغموضاً من بين جميع طبقات الأرض (سي إن إن)
TT

«خيال علمي تقريباً»... العلماء يرجحون أن شكل اللب الداخلي للأرض يتغير

يُعدُّ اللب الداخلي هو الأكثر بُعداً وغموضاً من بين جميع طبقات الأرض (سي إن إن)
يُعدُّ اللب الداخلي هو الأكثر بُعداً وغموضاً من بين جميع طبقات الأرض (سي إن إن)

كشف العلماء الذين أعلنوا قبل بضعة أشهر فقط أن اللب الداخلي للأرض قد عكس دورانه مؤخراً، سراً جديداً حول أعمق أسرار كوكبنا... لقد حددوا تغييرات في شكل اللب الداخلي للأرض.

والطبقة الداخلية للأرض عبارةٌ عن كرة معدنية صلبة وساخنة محاطة بنواة خارجية معدنية سائلة. ولعقود من الزمن، شك علماء الكواكب في أن اللب الداخلي الصلب يتشوه مع مرور الوقت أثناء دورانه.

والآن، وجد الباحثون أول دليل على التغيرات التي حدثت خلال العشرين عاماً الماضية في شكل اللب الداخلي. وظهرت علامات تشوه النواة في موجات من الزلازل كانت قوية بما يكفي للوصول إلى مركز الأرض، وفق ما ذكرته شبكة «سي إن إن» الأميركية.

واستخدم فريق البحث البيانات نفسها حول الزلازل التي استُخدمت في دراسة أُجريت عام 2024 لحل جدل طويل الأمد حول دوران اللب الداخلي. ووجدوا أن اللب الداخلي كان يدور بسرعة أكبر من الأرض نفسها. ولكن ابتداءً من عام 2010 تقريباً، تباطأ دوران اللب الداخلي الصلب، ثم أصبح يدور في الاتجاه المعاكس.

«بُعد آخر للمناقشة»

تعتمد الدراسة الجديدة، التي نُشرت الاثنين في مجلة «Nature Geoscience» العلمية، على هذا الاكتشاف الذي تم باستخدام بيانات الزلازل التي تم جمعها من عام 1991 إلى عام 2023. وقد ساعدهم المجهود السابق للعلماء حول دوران النواة على تفسير الاختلافات في ارتفاع الموجات الزلزالية، وتعريفها كمؤشرات للتغيرات في سطح النواة الداخلية، كما أوضح الدكتور جون فيدال، أستاذ علوم الأرض بجامعة جنوب كاليفورنيا والمؤلف الرئيسي للدراسة الجديدة.

وحسب فيدال، فإن حواف النواة الداخلية للأرض، التي تأخذ شكل الكرة، ربما تكون في الواقع مشوهة بارتفاع 100 متر أو أكثر في بعض الأماكن. وأفاد الباحثون بأن التغيرات في الشكل في القلب يمكن أن تحمل أدلة حول «القوى العميقة» داخل الأرض التي تزود غلافنا المغناطيسي بالطاقة، وهي الخطوط غير المرئية للطاقة المغناطيسية التي تحمي كوكبنا من «الطقس الشمسي والإشعاع القاتل».

وتدور النواة الداخلية للأرض بشكل مستقل عن النواة الخارجية السائلة وعن بقية الكوكب. وبدون هذه الحركة، «ستموت الأرض»، وتصبح أشبه بكوكب المريخ القاحل الذي فقد مجاله المغناطيسي منذ مليارات السنين.

وقال الدكتور يوشي ميازاكي، الأستاذ في قسم علوم الأرض والكواكب بجامعة روتجرز في نيوجيرسي: «تتطور الأرض على مقياس زمني جيولوجي، لذا فإن مراقبة التغيرات على مقياس زمني سنوي أمر مثير للاهتمام دائماً، لأنه يعزز فهمنا لديناميكيات النواة الداخلية».

وأضاف ميازاكي، الذي لم يشارك في البحث الجديد: «لقد ناقشت الدراسات السابقة بالفعل كيف تغير دوران النواة الداخلية خلال العقد الماضي، وتقدم هذه الدراسة منظوراً جديداً حول التغيرات غير الدورانية، مما يضيف بُعداً آخر للمناقشة».

«أشبه بالخيال العلمي»

من بين جميع طبقات الأرض، يعدُّ اللب الداخلي هو الأكثر بُعداً وغموضاً. ويبلغ حجم هذه الكرة الصلبة المكونة من الحديد والنيكل حوالي 70 في المائة من حجم القمر، ويبلغ نصف قطرها حوالي 759 ميلاً (1221 كيلومتراً).

وتصل درجات الحرارة في اللب الداخلي إلى 9800 درجة فهرنهايت (5400 درجة مئوية)، ويمكن أن يصل الضغط إلى أكثر من 3 ملايين مرة من متوسط ​​الضغط الجوي للأرض. وفي حين أن المراقبة المباشرة للب مستحيلة، فإن العلماء يدرسونها من خلال تحليل التغيرات في حجم وشكل الموجات الزلزالية أثناء مرورها عبر اللب.

ويقول فيدال: «إن تصور ما يحدث على سطح النواة الداخلية للأرض يشبه الخيال العلمي. إنه مكان مختلف تماماً عن حياتنا اليومية، حيث تختلف فتراته الزمنية ومواده وقوته المذهلة»، ورغم أن موقعاً واحداً فقط في النواة الداخلية للأرض أظهر علامات تشوه بين عامي 2004 و2008، فقد يكون هناك المزيد من المواقع التي لم يتم اكتشافها بعد، وفقاً لما ذكره الباحثون. وقال فيدال: «من الصعب معرفة ما إذا كنا ننظر إلى موقع شاذ أم طبيعي، ولكن من الممكن أن يكون هناك قدر من التشوه يحدث في كثير من الأحيان في العديد من الأماكن».

وقال البروفيسور هرفوي تكالتشيك من الجامعة الوطنية الأسترالية، الذي لم يشارك في الدراسة، إن هذه الدراسة تُقدم «مفهوماً مثيراً للاهتمام ينبغي استكشافه بشكل أكبر». وأضاف أن ذلك قد يسمح للعلماء «بإجراء تقديرات أكثر استنارة لبعض خصائص المواد المهمة، مثل لزوجة النواة الداخلية، وهي واحدة من الأمور الأكثر غموضاً في العلوم الحديثة»، وفق ما ذكرته هيئة الإذاعة البريطانية «بي بي سي».

وبمرور الوقت يتجمد اللب الخارجي السائل للأرض ليتحول إلى اللب الداخلي الصلب، ولكن الأمر سيستغرق مليارات السنين قبل أن يتحول إلى صلب تماماً. ومن المؤكد أن هذا يعني نهاية الحياة على الأرض، ولكن بحلول ذلك الوقت من المرجح أن تكون الشمس قد ابتلعت الكوكب بالفعل.