سيارات المستقبل.. ضوء الشمس يحول أكسيد الكربون والماء لوقود سائل

توصف السيارات الكهربائية بأنها مستقبل المركبات صفرية الانبعاثات الكربونية، ولكن يبدو أنه سيمكن تشغيل سيارات صديقة للبيئة في نهاية المطاف على ضوء الشمس.

التمثيل الضوئي الاصطناعي

ابتكر الباحثون "ورقة نبات اصطناعية" تستخدم ضوء الشمس لتحويل المياه وثاني أكسيد الكربون إلى وقود منخفض الانبعاثات - الإيثانول والبروبانول. تحاكي ورقة النبات الاصطناعية عملية التمثيل الضوئي، وهي العملية الشهيرة التي تستخدمها النباتات لتوليد طاقتها. في المختبر، قام باحثون من جامعة كامبريدج بغمر الورقة في الماء المشبع بثاني أكسيد الكربون قبل تسليط الضوء عليها لتحفيز التفاعل وإنتاج الوقود الأخضر.

إنتاج الوقود أثناء التنقل

ولكن في المستقبل، يمكن تصنيع سيارات توظف نفس التقنية لأخذ ضوء الشمس المحيط وثاني أكسيد الكربون وبخار الماء في الهواء وإنتاج الوقود أثناء التنقل. قال الباحث الدكتور موتيار رحمان: "إن تسليط ضوء الشمس على الأوراق الاصطناعية والحصول على وقود سائل من ثاني أكسيد الكربون والماء هو جزء مذهل من الكيمياء". "في هذا العمل، تم تطوير جهاز أوراق نباتات اصطناعية لتوليد كحول متعدد الكربونات من ثاني أكسيد الكربون والماء باستخدام ضوء الشمس كمصدر وحيد للطاقة".

النحاس والبلاديوم

صنع الباحثون "أوراق النبات الاصطناعية" من طبقات متعددة تشمل النحاس والزجاج والفضة والجرافيت. تحتوي الورقة الاصطناعية على ممتصات للضوء - تشبه الجزيئات الموجودة في النباتات التي تحصد ضوء الشمس - والتي يتم دمجها مع محفز يتكون من عنصرين هما النحاس والبلاديوم، في محاكاة للكلوروفيل، المحفز لعملية التمثيل الضوئي في أوراق النباتات الحقيقية. وفي وجود ضوء الشمس، يحول المحفز ثاني أكسيد الكربون إلى الإيثانول والبروبانول، ويحول الماء إلى أكسجين.

بديل للوقود الأحفوري

قال الدكتور رحمان إنه يمكن استخلاص منتجات الكحول من وسط التفاعل ثم استخدامها في السيارة. وفي حين أن التكنولوجيا لا تزال على نطاق المختبر، يقول العلماء إن "أوراق النبات الاصطناعية" هي خطوة مهمة في الانتقال بعيدًا عن الوقود الأحفوري المستخدم حاليًا في السيارات - وبالتحديد البترول. يستخدم الإيثانول بالفعل كوقود نظيف في السيارات، وعادة ما يتم تصنيعه من الكتلة الحيوية مثل الذرة أو قصب السك، ويوصف بأنه بديل للبنزين أكثر صداقة للبيئة، لأنه مصنوع من النباتات بدلاً من الوقود الأحفوري.

حل لمعضلة الأراضي الزراعية

تعمل العديد من السيارات والشاحنات على الطريق اليوم بالبنزين، الذي يحتوي على ما يصل إلى 10% من الإيثانول، والذي يباع في محطات التزود بالوقود تحت مسمى E10. لكن تكمن إحدى المشكلات في أن إنتاج الإيثانول يحتل مساحات كبيرة من الأراضي الزراعية، التي يمكن استخدامها في زراعة الغذاء للبشر. فوفقًا لوزارة الزراعة الأميركية، يتم استخدام ما يقرب من 45% من إجمالي محصول الذرة المزروع في الولايات المتحدة لإنتاج الإيثانول. وكلما زاد الطلب على الإيثانول الصديق للبيئة، زادت مساحة الأرض المطلوبة لزراعة مصادره.

"كفاءة متواضعة"

وعلى الرغم من أن التقنية التي طورها فريق الباحثين في كامبريدج، تقدم طريقة بديلة لإنتاج الإيثانول، إلا أنهم حذروا من أن التقنية في الوقت الحالي هو مجرد دليل على المفهوم "بكفاءة متواضعة". قال البروفيسور إروين ريزنر، الباحث المشارك في الدراسة، إنه "على الرغم من أنه لا يزال هناك عمل يتعين القيام به، لكن تم التمكن من إظهار إمكانية تجاوز أبسط الجزيئات وصنع أشياء مفيدة بشكل مباشر أثناء عملية التحول بعيدًا عن الوقود الأحفوري".

غاز اصطناعي

في عام 2019، كشف باحثو جامعة كامبريدج النقاب عن تقنية لاستخدام الأوراق الاصطناعية في إنتاج غاز اصطناعي أو غاز تخليقي، عبارة عن مزيج من الهيدروجين وأول أكسيد الكربون، يستخدم في إنتاج الوقود والأدوية والبلاستيك والأسمدة. ولكن الجديد الآن هو انه يمكن للورقة النباتية الاصطناعية أن تنتج مباشرة إيثانول وبروبانول نظيفين دون الحاجة إلى خطوة وسيطة لإنتاج الغاز التخليق، مع الأخذ في الاعتبار أن الإيثانول والبروبانول وقود صديق للبيئة له كثافة طاقة عالية ويمكن تخزينهما أو نقلهما بسهولة.

تقدم مثير للدهشة

قال الدكتور رحمان: إنه "عادةً، عندما محاولة تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى منتج كيميائي آخر باستخدام جهاز أوراق نبات اصطناعية، فإن الناتج دائمًا يكون أول أكسيد الكربون أو غاز التخليق. لذا، فإن التمكن من إنتاج وقود سائل عملي باستخدام طاقة الشمس فقط يعد تقدم مثير يفتح أفاق عملية جديدة تمامًا". يعمل الباحثون الآن على تحسين امتصاص الضوء حتى يتمكنوا من امتصاص ضوء الشمس بشكل أفضل وكذلك المحفز حتى يتمكنوا من تحويل المزيد من ضوء الشمس إلى وقود.