يتم وصف السيارات الكهربائية بأنها مستقبل النقل الصفري ، ولكن يمكن تشغيل السيارة الصديقة للبيئة في نهاية المطاف على ضوء الشمس.
ابتكر الباحثون “ورقة اصطناعية” تستخدم ضوء الشمس لإخفاء المياه وثاني أكسيد الكربون إلى وقود منخفض الانبعاثات – الإيثانول والبروبانول.
إذا كان هذا يبدو مألوفًا ، فإن الورقة الاصطناعية تحاكي عملية التمثيل الضوئي ، وهي العملية الشهيرة التي تستخدمها النباتات لتوليد طاقتها.
في المختبر ، قام الخبراء بغمر الورقة في الماء المشبع بثاني أكسيد الكربون قبل تسليط الضوء عليها لتحفيز التفاعل وإنشاء الوقود الأخضر.
ولكن في المستقبل ، يمكن تصنيع السيارات بالتقنية لأخذ ضوء الشمس المحيط وثاني أكسيد الكربون وبخار الماء في الهواء وإنتاج الوقود أثناء التنقل.
وصفت السيارات الكهربائية بأنها مستقبل النقل الصفري ، ولكن يمكن تشغيل السيارة الصديقة للبيئة في نهاية المطاف على ضوء الشمس
ابتكر الباحثون “ورقة اصطناعية” تستخدم ضوء الشمس لإخفاء المياه وثاني أكسيد الكربون إلى وقود منخفض الانبعاثات – الإيثانول والبروبانول. الورقة الاصطناعية مصورة هنا متصلة بقضيب معدني. في المستقبل ، قد يكون جزءًا من جهاز السيارة لإنتاج وقود نظيف أثناء التنقل
تم وصف هذه التقنية في دراسة جديدة قادها باحثون من جامعة كامبريدج ونشرت في مجلة Nature Energy.
قال مؤلف الدراسة الدكتور موتيار رهامان: “إن تسليط ضوء الشمس على الأوراق الاصطناعية والحصول على وقود سائل من ثاني أكسيد الكربون والماء هو جزء مذهل من الكيمياء”.
“في هذا العمل ، قمنا بتطوير جهاز أوراق اصطناعية لتوليد كحول متعدد الكربونات من ثاني أكسيد الكربون والماء باستخدام ضوء الشمس كمصدر وحيد للطاقة.”
صنع الباحثون “أوراقهم الاصطناعية” من طبقات متعددة بما في ذلك 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 هذا المحفز (الذي يشبه الكلوروفيل ، المحفز لعملية التمثيل الضوئي في ورقة حقيقية) من عنصرين ، النحاس والبلاديوم.
في وجود ضوء الشمس ، يحول المحفز ثاني أكسيد الكربون إلى الإيثانول والبروبانول ، ويحول الماء إلى أكسجين.
قال الدكتور رحمان لـ MailOnline: “يمكن استخلاص منتجات الكحول من وسط التفاعل ثم استخدامها في السيارة”.
في حين أن التكنولوجيا لا تزال على نطاق المختبر ، يقول العلماء إن “ أوراقهم الاصطناعية ” هي خطوة مهمة في الانتقال بعيدًا عن الوقود الأحفوري المستخدم حاليًا في السيارات – وبالتحديد البترول.
في الصورة ، مفاعل ضوئي يحتوي على ورقة اصطناعية ومياه مملوءة بثاني أكسيد الكربون. هذه نسخة مختبرية مصغرة لما يمكن أن تكون عليه التكنولوجيا. في المستقبل ، يمكن تصنيع السيارات لأخذ ضوء الشمس المحيط وثاني أكسيد الكربون وبخار الماء في الهواء وإنتاج الوقود أثناء التنقل
صنع باحثو كامبريدج “أوراقهم الاصطناعية” من طبقات متعددة بما في ذلك النحاس والزجاج والفضة والجرافيت ، بالإضافة إلى النحاس والبلاديوم للعامل الحفاز.
يستخدم الإيثانول بالفعل كوقود نظيف في السيارات وعادة ما يتم تصنيعه من الكتلة الحيوية مثل الذرة أو قصب السكر.
يوصف بأنه بديل أكثر خضرة للبنزين ، لأنه مصنوع من النباتات بدلاً من الوقود الأحفوري.
تعمل العديد من السيارات والشاحنات على الطريق اليوم بالبنزين الذي يحتوي على ما يصل إلى 10 في المائة من الإيثانول (يُباع في محطات البنزين كوقود E10).
ومع ذلك ، فإن إحدى المشكلات هي أن إنتاج الإيثانول يشغل الأراضي الزراعية التي يمكن استخدامها بدلاً من ذلك لزراعة الغذاء.
وفقًا لوزارة الزراعة الأمريكية ، يتم استخدام ما يقرب من 45 في المائة من جميع الذرة المزروعة في الولايات المتحدة لإنتاج الإيثانول.
وكلما زاد الطلب على هذا الإيثانول الصديق للبيئة ، زادت مساحة الأرض المطلوبة.
لحسن الحظ ، تقدم تقنية فريق كامبريدج طريقة بديلة لإنتاج الإيثانول.
في المستقبل ، يمكن أن يكون الرصاص جزءًا من جهاز السيارة لإنتاج وقود نظيف أثناء التنقل إذا كان بإمكانه استخراج الماء وثاني أكسيد الكربون من الهواء المحيط أثناء تعرضه لأشعة الشمس.
ومع ذلك ، يحذر الفريق من أن الجهاز في الوقت الحالي هو مجرد دليل على المفهوم “بكفاءة متواضعة”.
قال مؤلف الدراسة البروفيسور إروين ريزنر في كامبريدج ، الذي قاد البحث: “على الرغم من أنه لا يزال هناك عمل يتعين القيام به ، فقد أظهرنا ما يمكن أن تفعله هذه الأوراق الاصطناعية”.
“من المهم أن نظهر أنه يمكننا تجاوز أبسط الجزيئات وصنع أشياء مفيدة بشكل مباشر أثناء انتقالنا بعيدًا عن الوقود الأحفوري.”
في عام 2019 ، وصف فريق كامبريدج استخدام تقنية الأوراق الاصطناعية الخاصة بهم لإنتاج غاز اصطناعي أو غاز تخليقي – مزيج من الهيدروجين وأول أكسيد الكربون يستخدم في إنتاج الوقود والأدوية والبلاستيك والأسمدة.
حاليًا ، تعمل السيارات والشاحنات على الطريق اليوم بالبنزين الذي يحتوي على ما يصل إلى 10 في المائة من الإيثانول (المعروف باسم وقود E10)
ولكن الآن ، يمكن للورقة الاصطناعية أن تنتج مباشرة إيثانول وبروبانول نظيفين دون الحاجة إلى خطوة وسيطة لإنتاج الغاز التخليقي.
علاوة على ذلك ، يعتبر الإيثانول والبروبانول وقودًا صديقًا للبيئة وله كثافة طاقة عالية ويمكن تخزينهما أو نقلهما بسهولة.
قال الدكتور رحمان: “عادةً ، عندما تحاول تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى منتج كيميائي آخر باستخدام جهاز أوراق اصطناعية ، فإنك دائمًا ما تحصل على أول أكسيد الكربون أو غاز التخليق”.
لكن هنا ، تمكنا من إنتاج وقود سائل عملي باستخدام طاقة الشمس فقط.
“إنه تقدم مثير يفتح آفاقًا جديدة تمامًا في عملنا”.
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.
ستكون هناك حاجة أيضًا إلى مزيد من العمل لجعل الجهاز قابلاً للتطوير بحيث يمكنه إنتاج كميات كبيرة من الوقود – على الرغم من أنه من غير الواضح كم سيكلف ذلك.
كيف يعمل PHOTOSYNTHISIS؟
التمثيل الضوئي هو عملية كيميائية تستخدمها النباتات لتحويل الطاقة الضوئية وثاني أكسيد الكربون إلى جلوكوز لينمو النبات ، ويطلق الأكسجين في هذه العملية.
تحتوي أوراق النباتات الخضراء على مئات من جزيئات الصبغة (الكلوروفيل وغيره) التي تمتص الضوء بأطوال موجية محددة.
عندما يضرب ضوء الطول الموجي المناسب أحد هذه الجزيئات ، يدخل الجزيء في حالة مثارة – ويتم نقل الطاقة من هذه الحالة المثارة على طول سلسلة من جزيئات الصباغ حتى تصل إلى نوع معين من الكلوروفيل في مركز التفاعل الضوئي.
رسم تخطيطي يوضح كيفية عمل التمثيل الضوئي. من أهم خطوات التمثيل الضوئي هو تقسيم الماء لإطلاق ذرات الهيدروجين والأكسجين ، وتشكيل سكر الجلوكوز للنبات لينمو ويطلق الأكسجين كمنتج ثانوي.
هنا ، تُستخدم الطاقة لدفع عملية فصل الشحنات اللازمة لمواصلة عملية التمثيل الضوئي.
يتم استخدام “ثقب” الإلكترون المتخلف في جزيء الكلوروفيل “لتقسيم” الماء إلى الأكسجين.
تُستخدم أيونات الهيدروجين المتكونة أثناء عملية تقسيم الماء في النهاية لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى طاقة الجلوكوز ، والتي اعتاد النبات على النمو.