يعتبر غاز الميثان العنصر الرئيسيّ للغاز الطبيعيّ حيث يحتوي على 50-90% من الميثان، والوقود الأحفوري أيضاً، والميثان غاز غير مرئيّ، عديم الرائحة، قابل للاحتراق، يتواجد بكميات ضئيلة في الغلاف الجوي. يتكوّن الجزيء من ذرة كربون واحدة مرتبطة بأربع ذرات من الهيدروجين (CH4)، الأمر الذي يجعل الميثان أبسط عضو في عائلة كيميائية تُعرَف باسم الهيدروكربونات.
ينتج غاز الميثان في الطبيعة عن طريق التحلّل البكتيريّ اللاهوائيّ للمادة النباتية تحت الماء، لذا يُطلَق عليه أحياناً اسم (غاز المستنقعات)، وتعتبر الأراضي الرطبة المصدر الرئيسيّ الطبيعيّ للميثان، كما تشمل مصادره الطبيعية الأخرى على غازات البراكين، وفتحات قاع المحيطات، ورواسب هيدرات الميثان التي تحدث على طول الحواف القارية وتحت الجليد في القطب المتجمد الجنوبي والقطب الشماليّ، كما يشار إلى أنّ العمليات الهضمية التي يقوم بها النمل الأبيض تعمل على إطلاق غاز الميثان أيضاً، وتشكل الثروة الحيوانية، مثل: الأغنام، والماعز، والجمال، والماشية، والجاموس 15 % من انبعاثات غاز الميثان سنوياً.
يأتي غاز الميثان من الأرض، ومن الممكن أن يأتي من جسم الإنسان، وهو غير سام ويمكن تسخيره كمصدر للطاقة.
وفقاً للأمم المتحدة، تسبب الميثان حتى الآن في حوالي 30% من الاحتباس الحراري منذ عصر ما قبل الصناعة. يمكن خفض انبعاثات الميثان من النشاط البشري بنسبة تصل إلى 45% في العقد المقبل، وتجنب ارتفاع بنحو 0.3 درجة مئوية بحلول عام 2045.
وقد نجح فريق من الباحثين في تحويل الميثان إلى ميثانول باستخدام معادن انتقالية خفيفة ومتفرقة مثل النحاس في عملية تعرف باسم الأكسدة الضوئية. كان التفاعل هو الأفضل حتى الآن لتحويل غاز الميثان إلى وقود سائل عند درجة الحرارة والضغط المحيطين (25 درجة مئوية و 1 بار، على التوالي) وذلك وفقاً لدراسة نُشرت في مجلة Chemical Communications.
حدث التحويل عند درجة حرارة الغرفة وضغطها، ما قد يسمح باستخدام الميثان، وهو أحد غازات الدفيئة القوية، لإنتاج الوقود، وبالتالي المساهمة بشكل كبير في خفض انبعاثات الغازات الدفيئة التي تلعب دوراً رئيسياً في تغير المناخ.
إن الطريقة الجديدة تحول غاز الميثان إلى الميثانول السائل.
إن مصطلح بار هو وحدة قياس الضغط المأخوذ الكلمة اليونانية التي تعني الوزن (باروس). وفي المقياس الدولي يقاس الضغط عادة بوحدة الباسكال.
تعتبر نتائج الدراسة خطوة حاسمة نحو إتاحة الوصول إلى الغاز الطبيعي كمصدر للطاقة لإنتاج أنواع الوقود البديلة للبنزين والديزل. على الرغم من حقيقة أن الغاز الطبيعي هو وقود أحفوري، فإن تحويله إلى ميثانول ينتج عنه كمية أقل من ثاني أكسيد الكربون (CO2) مقارنة بأنواع الوقود السائل الأخرى في نفس الفئة.
يعتبر الميثانول مادة حيوية في إنتاج الديزل الحيوي والصناعة الكيميائية في البرازيل، حيث يتم استخدامه في تصنيع مجموعة متنوعة من المنتجات. علاوة على ذلك، يعد جمع الميثان من الغلاف الجوي أمراً بالغ الأهمية للتخفيف من الآثار السلبية لتغير المناخ نظراً لأن الغاز لديه قدرة أكبر بـ 25 ضعفاً على المساهمة في الاحتباس الحراري من ثاني أكسيد الكربون، على سبيل المثال.
"هناك جدل كبير في المجتمع العلمي حول حجم احتياطيات الميثان على كوكب الأرض. وفقاً لبعض التقديرات، قد يكون لدى الميثان ضعف إمكانات الطاقة لجميع أنواع الوقود الأحفوري الأخرى مجتمعة. قال ماركوس دا سيلفا، المؤلف الأول للمقال ، لوكالة Agencia FAPESP: خلال الانتقال إلى مصادر الطاقة المتجددة، سيتعين علينا الاستفادة من كل هذا الميثان في مرحلة ما. سيلفا حاصل على دكتوراه. ومرشح في قسم الفيزياء بالجامعة الفيدرالية في ساو كارلوس (UFSCar).
تم دعم هذه الدراسة من قبل المجلس الأعلى للبحوث والمجلس الوطني للتنمية العلمية والتكنولوجية في البرازيل.
وفقاً لإيفو فريتاس تيكسيرا، الأستاذ في UFSCar، مستشار أطروحة سيلفا والمؤلف الأخير للمقال، كان المحفز الضوئي المستخدم في الدراسة ابتكاراً رئيسياً. قال "مجموعتنا ابتكرت بشكل كبير من خلال أكسدة الميثان في مرحلة واحدة. في الصناعة الكيميائية يحدث هذا التحويل عن طريق إنتاج الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون على مرحلتين على الأقل وتحت ظروف ضغط ودرجة حرارة عالية جداً. يعد نجاحنا في الحصول على الميثانول في ظل ظروف معتدلة، مع إنفاق طاقة أقل، خطوة كبيرة إلى الأمام".
وفقاً لتيكسيرا تمهد النتائج الطريق للبحث المستقبلي في استخدام الطاقة الشمسية لعملية التحويل هذه، ما قد يقلل من تأثيرها البيئي بشكل أكبر.
المحفزات الضوئية
في المختبر صنع العلماء نيتريد الكربون البلوري في شكل إيميد متعدد الهيبتازين (PHI) ، باستخدام معادن انتقالية غير نبيلة أو وفيرة في الأرض، وخاصة النحاس، لإنتاج محفزات ضوئية نشطة للضوء المرئي. ثم استخدموا المحفزات الضوئية في تفاعلات أكسدة الميثان مع بيروكسيد الهيدروجين كبداية. أنتج محفز النحاس PHI حجماً كبيراً من المنتجات السائلة المؤكسجة، وخاصة الميثانول.
قال تيكسيرا: اكتشفنا أفضل محفز وظروف أخرى ضرورية للتفاعل الكيميائي، مثل استخدام كمية كبيرة من الماء وكمية صغيرة فقط من بيروكسيد الهيدروجين، وهو عامل مؤكسد. تشمل الخطوات التالية فهم المزيد عن مواقع النحاس النشطة في المادة ودورها في التفاعل. نخطط أيضاً لاستخدام الأكسجين مباشرةً لإنتاج بيروكسيد الهيدروجين في التفاعل نفسه. إذا نجحت هذه الخطة فمن المفترض أن يجعل هذا العملية أكثر أماناً وقابلة للتطبيق بشكل اقتصادي.
نقطة أخرى ستستمر المجموعة في التحقيق فيها تتعلق بالنحاس. "نحن نعمل مع نحاس مشتت. عندما كتبنا المقال، لم نكن نعرف ما إذا كنا نتعامل مع ذرات أو عناقيد معزولة. نحن نعلم الآن أنها مجموعات"، أوضح تيكسيرا.
في الدراسة، استخدم العلماء الميثان النقي، لكن في المستقبل سوف يستخرجون الغاز من مصادر الطاقة المتجددة مثل الكتلة الحيوية.
تعتبر استراتيجية تحويل الميثان إلى وقود سائل باستخدام محفز ضوئي جديدة، ورغم أنها غير متوفرة تجارياً، ولكن إمكاناتها على المدى القريب كبيرة. قال تيكسيرا: "لقد بدأنا بحثنا منذ أكثر من أربع سنوات. لدينا الآن نتائج أفضل بكثير من نتائج البروفيسور هاتشينجز ومجموعته في عام 2017 ، والتي حفزت أبحاثنا الخاصة"، في إشارة إلى دراسة نُشرت في مجلة Science من قبل باحثين منتسبين إلى جامعات في الولايات المتحدة والمملكة المتحدة، ويقودها جراهام هاتشينغز، الأستاذ في جامعة كارديف في ويلز.
----