رغم مشكلة التغير المناخي والزيادة المضطردة في انبعاث غاز ثاني أكسيد الكربون، إلا أن حكومات العالم أو المنظمات البيئية أو المؤتمرات التي كان آخرها مؤتمر الأطراف في تشرين الثاني الماضي، لم تتمكن من وضع حد لهذه الانبعاثات أو فرض قيود حقيقية على الصناعات والدول الصناعية التي تعد المسبب الأكبر لها. ولذلك فإن السعي حثيث لإيجاد حلول لهذه المشكلة أو على الأقل التخفيف من آثارها. وإن اختراع خلايا الوقود الهيدروجينية بتقنية التقاط الكربون تغير قواعد اللعبة لإزالة 99% من ثاني أكسيد الكربون من الهواء.
يعاني كوكب الأرض حالياً من مشكلة شديدة الخطورة، قد تؤثر على شكل الحياة التي عرفتها البشرية حتى الآن. إنها مشكلة التغير المناخي والزيادة المضطردة في انبعاث غاز ثاني أكسيد الكربون التي لم تتمكن حكومات العالم أو المنظمات البيئية أو المؤتمرات التي كان آخرها مؤتمر الأطراف في تشرين الثاني الماضي، لم تتمكن كل الجهود السابقة من وضع حد لهذه الانبعاثات أو فرض قيود حقيقية على الصناعات والدول الصناعية التي تعد المسبب الأكبر لها.
من جهة أخرى يسعى العلم حثيثاً لإيجاد حلول لهذه المشكلة أو على الأقل التخفيف من آثارها. وفي هذا السياق نسلط الضوء في مادتنا هذه على اختراع قد يشكل فرقاً ملحوظاً في الوصول إلى مستقبل خال من CO2 .
خلايا الوقود الهيدروجينية بتقنية التقاط الكربون التي تغير قواعد اللعبة لإزالة 99% من ثاني أكسيد الكربون من الهواء.
إن التقدم الذي أحرزه باحثو جامعة ديلاوير في التقاط الكربون، يمكن أن يجعل خلايا الوقود الصديقة للبيئة أقـرب إلى السـوق.
أظهر مهندسو جامعة ديلاوير طريقة لالتقاط 99% من ثاني أكسيد الكربون من الهواء بشكل فعال باستخدام نظام كهروكيميائي جديد مدعوم بالهيدروجين.
أعلن فريق البحث، بقيادة البروفيسور يوشان يان، عن هذه الطريقة في مجلة Nature Energy.
خلايا الوقود
تعمل خلايا الوقود عن طريق تحويل الطاقة الكيميائية للوقود مباشرة إلى كهرباء. يمكن استخدام هذه الخلايا في النقل مثل المركبات الهجينة أو عديمة الانبعاثات.
يان، وهو بروفيسور في جامعة هنري بيلين دو بونت للهندسة الكيميائية والجزيئية الحيوية، يعمل منذ بعض الوقت على تحسين خلايا وقود غشاء تبادل الهيدروكسيد (HEM)، وهو بديل اقتصادي وصديق للبيئة لخلايا الوقود التقليدية المستخدمة اليوم والقائمة على الحمض.
لكن خلايا الوقود HEM لها عيب جعل التعامل معها صعباً - فهي حساسة للغاية لثاني أكسيد الكربون الموجود في الهواء. بشكل أساسي يجعل ثاني أكسيد الكربون من الصعب على خلية وقود HEM التنفس.
هذا العيب يقلل بسرعة من أداء خلية الوقود وكفاءتها بنسبة تصل إلى 20%، وهذا لا يجعلها أفضل من محرك البنزين. تعمل مجموعة يان البحثية على إيجاد حل بديل لمشكلة ثاني أكسيد الكربون هذه منذ أكثر من 15 عاماً.
قبل بضع سنوات، أدرك الباحثون أن هذا العيب قد يكون في الواقع حلاً لإزالة ثاني أكسيد الكربون من الهواء.
بمجرد أن تعمقنا في الآلية، أدركنا أن خلايا الوقود كانت تلتقط كل جزء من ثاني أكسيد الكربون الذي يدخلها، وكانت هذه الخلايا جيدة للغاية في فصله إلى الجانب الآخر. يقول بريان سيتزلر، الأستاذ المساعد للبحث في الهندسة الكيميائية والبيولوجية الجزيئية والمؤلف المشارك للورقة.
على الرغم من أن هذا ليس جيداً لخلية الوقود، فقد عرف الفريق ما إذا كان بإمكانهم الاستفادة من عملية "التطهير الذاتي" المضمنة هذه في جهاز منفصل بعيداً عن كومة خلايا الوقود، حيث يمكنهم تحويله إلى فاصل وماص لغاز ثاني أكسيد الكربون.
أضاف سيتزلر: اتضح أن نهجنا فعال للغاية.
يقول يان: يمكننا التقاط 99% من ثاني أكسيد الكربون من الهواء في مسار واحد إذا كان لدينا التصميم الصحيح والتكوين الصحيح.
إذاً، كيف يفعلون ذلك؟
وجدوا طريقة لتضمين مصدر الطاقة للتكنولوجيا الكهروكيميائية داخل غشاء الفصل. تضمنت هذه الطريقة تقصير الجهاز داخلياً.
قال لين شي، مرشح الدكتوراه في مجموعة يان والمؤلف الرئيسي للورقة: إنه طريق محفوف بالمخاطر، لكننا تمكنا من التحكم في خلية الوقود ذات الدارة القصيرة هذه بواسطة الهيدروجين. وباستخدام هذا الغشاء الداخلي القصير كهربائياً، تمكنا من التخلص من المكونات الضخمة، مثل الألواح ثنائية القطب، أو مجمِعات التيار أو أي أسلاك كهربائية توجد عادةً في كومة خلايا الوقود.
الآن، كان لدى فريق البحث جهاز كهروكيميائي يشبه غشاء ترشيح عادي مصنوع لفصل الغازات، ولكن مع القدرة على التقاط كميات دقيقة من ثاني أكسيد الكربون باستمرار من الهواء مثل نظام كهروكيميائي معقد.
في الواقع، أدى دمج أسلاك الجهاز داخل الغشاء إلى إنشاء اختصار سهّل انتقال جزيئات ثاني أكسيد الكربون من جانب إلى آخر. كما أنها مكّنت الفريق من بناء وحدة لولبية مدمجة ذات مساحة سطح كبيرة وبحجم صغير. بمعنى آخر، لديهم الآن حزمة أصغر قادرة على تصفية كميات أكبر من الهواء في وقت واحد مما يجعلها فعالة من حيث التكلفة لتطبيقات خلايا الوقود. وفي الوقت نفسه، العدد الأقل من المكونات يعني تكلفة أقل، والأهم من ذلك أنها توفر طريقة لتوسيع نطاق السوق بسهولة.
أظهرت نتائج فريق البحث أن الخلية الكهروكيميائية التي يبلغ قياسها 2 × 2 بوصة يمكن أن تزيل باستمرار حوالي 99% من ثاني أكسيد الكربون الموجود في الهواء المتدفق بمعدل 2 لتر في الدقيقة تقريباً. قال الباحثون إن أنموذجاً أولياً للجهاز اللولبي بحجم علبة صودا سعة 12 أونصة قادر على تصفية 10 لترات من الهواء في الدقيقة وتنقية 98% من ثاني أكسيد الكربون.
قال سيتزر إن الجهاز، الذي تم قياسه من أجل تطبيقات السيارات، سيكون بحجم غالون الحليب تقريباً، ولكن يمكن استخدام الجهاز لإزالة ثاني أكسيد الكربون في مكان آخر أيضاً. على سبيل المثال، يمكن للتكنولوجيا الحاصلة على براءة اختراع أن تنتج أجهزة إزالة ثاني أكسيد الكربون أخف وزناً وأكثر كفاءة في المركبات الفضائية أو الغواصات، حيث يكون الترشيح المستمر أمراً بالغ الأهمية.
قال سيتزلر: لدينا بعض الأفكار لخارطة طريق طويلة المدى يمكن أن تساعدنا حقاً في الوصول إلى هدفنا.
وفقاً لشي، نظراً لأن النظام الكهروكيميائي يعمل بالهيدروجين، مع تطور اقتصاد الهيدروجين، يمكن أيضاً استخدام هذا الجهاز الكهروكيميائي في الطائرات والمباني حيث يكون إعادة تدوير الهواء أمراً مطلوباً كإجراء موفر للطاقة.
-----