طور علماء يابانيون تقنية جديدة لتكسير الماء وتحويله إلى وقود هيدروجين باستخدام ضوء الشمس.
ومن خلال استخدام محفز ضوئي خاص، تهدف هذه التقنية إلى توفير هيدروجين أرخص وأكثر وفرة واستدامة، ما يفتح آفاقا لتطبيقات متعددة في مجال الطاقة.
وفي الوقت الحالي، يتم استخراج معظم الهيدروجين من الغاز الطبيعي، ما يجعل الانتقال إلى مصادر أكثر استدامة، مثل الهيدروجين الناتج عن الماء، خيارا ضروريا للمستقبل.
وتعتبر الطريقة الجديدة التي تعتمد على الطاقة الشمسية "سهلة التصنيع وتعد بثورة في حال تم تحقيق الكفاءة المطلوبة".
وتستند العملية إلى تقسيم الماء إلى أكسجين وهيدروجين باستخدام محفزات ضوئية. وعلى الرغم من أن الفكرة ليست جديدة، إلا أن معظم المحفزات التقليدية تكون غير فعّالة ولا تقوم بتحويل الطاقة الشمسية إلى هيدروجين بشكل كاف.
واختار العلماء اليابانيون استخدام ما يعرف بنظام "الخطوة المزدوجة" لتحسين الكفاءة. وفي هذا النظام، يعمل محفز ضوئي واحد على إنتاج الهيدروجين، بينما يقوم محفز آخر بإنتاج الأكسجين. ويعد هذا النظام أكثر تطورا وفعالية مقارنة بالنظام التقليدي الذي يعمل بخطوة واحدة.
ويوضح المعد الرئيسي للدراسة، البروفيسور كازوناري دومين، من جامعة Shinshu، أن "تقسيم الماء بواسطة المحفزات الضوئية باستخدام أشعة الشمس يمثل تقنية مثالية لتحويل وتخزين الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية". ويضيف أن "التطورات الحديثة في المواد والأنظمة الضوئية تبعث على التفاؤل بإمكانية تحقيق هذا الهدف في المستقبل".
وأشار الدكتور تاكاشي هيساتومي، أحد المعدين المشاركين من جامعة Shinshu، إلى أنه "بينما لا يمكن لتكنولوجيا تحويل الطاقة الشمسية أن تعمل في الليل أو في الطقس السيئ، فإن تخزين الطاقة الشمسية كطاقة كيميائية في المواد يمكن أن يجعلها قابلة للاستخدام في أي وقت وفي أي مكان".
ونجح فريق دومين وهيساتومي في تحقيق تقدم ملحوظ عبر تشغيل مفاعل بمساحة 100 متر مربع (1076 قدما مربعا) لمدة 3 سنوات. وأظهرت النتائج أن النظام يعمل بشكل أفضل تحت ضوء الشمس الطبيعي مقارنة بالظروف المعملية، مع تحقيق كفاءة تحويل أعلى بنسبة 50% عند استخدام محفزات ضوئية تستجيب للأشعة فوق البنفسجية.
وقال هيساتومي: "لقد كانت كفاءة تحويل الطاقة الشمسية في نظامنا أعلى بمرة ونصف مقارنة بالظروف المخبرية باستخدام ضوء الشمس الطبيعي".
وعلى الرغم من التقدم الذي أحرزه الفريق، لا تزال الكفاءة الحالية منخفضة. فالكفاءة تحت ضوء الشمس المحاكى لا تتجاوز 1%، بينما قد تصل إلى 5% في أفضل الظروف تحت ضوء الشمس الطبيعي.
ويشدد الفريق على ضرورة تطوير محفزات ضوئية أكثر فعالية وبناء مفاعلات أكبر لتحقيق التحول الكبير في هذه التقنية.
وأوضح دومين: "إذا تم تحسين كفاءة المحفزات الضوئية إلى مستوى عملي، سيكون لذلك تأثير كبير على تطوير تكنولوجيا الإنتاج الضخم للهيدروجين، بالإضافة إلى تسريع بناء المصانع وتطوير التشريعات المتعلقة بالطاقة الشمسية".
نشرت الدراسة في مجلة Frontiers in Science.