جهاز شمسي يحول الماء وثاني أكسيد الكربون إلى وقود دون بطاريات

طور باحثون من جامعة أوساكا متروبوليتان في اليابان نظاما جديدا للتمثيل الضوئي الاصطناعي قادرا على إنتاج الوقود الشمسي بصورة أكثر استقرارا ومن دون الحاجة إلى البطاريات أو أنظمة التحكم الإلكترونية المعقدة التي تعتمد عليها معظم التقنيات الحالية، ويعتقد أن هذا الابتكار قد يساهم في جعل إنتاج الوقود من ضوء الشمس والماء وثاني أكسيد الكربون أبسط وأقل تكلفة وأكثر قابلية للتطبيق على نطاق واسع.

يشبه التمثيل الضوئي الاصطناعي العملية التي تقوم بها النباتات طبيعيا، حيث تستخدم طاقة الشمس لتحويل الماء وثاني أكسيد الكربون إلى مركبات غنية بالطاقة يمكن استخدامها لاحقا كوقود أو كوسيلة لتخزين الطاقة، ومن بين هذه المركبات حمض الفورميك، وهو مادة كيميائية يمكن استخدامها كمصدر للطاقة وكوسيلة لتخزينها ونقلها.

تعتمد هذه الأنظمة على جهاز يسمى المحلل الكهربائي الذي يحول الكهرباء المنتجة من الخلايا الشمسية إلى طاقة كيميائية مخزنة داخل الوقود الناتج، لكن أحد التحديات الرئيسية يتمثل في أن شدة ضوء الشمس تتغير باستمرار خلال اليوم، مما يؤدي إلى تغير كمية الكهرباء المنتجة وبالتالي انخفاض كفاءة النظام.

وللتغلب على هذه المشكلة تعتمد الأنظمة التقليدية على تقنية تعرف باسم تتبع نقطة القدرة العظمى (MPPT)، وهي تقنية إلكترونية تعمل باستمرار على ضبط الجهد والتيار الكهربائيين لضمان حصول الخلايا الشمسية على أعلى إنتاج ممكن للطاقة، إلا أن هذه الأنظمة تحتاج عادة إلى بطاريات ومكونات إلكترونية إضافية مما يزيد التكلفة والتعقيد.

في الدراسة الجديدة، قام الباحثون بإعادة تصميم المحلل الكهربائي نفسه بحيث يؤدي هذه المهمة تلقائيا، فقد أضافوا داخله إلكترونيا صلبا مصمما خصيصا ليغير خصائصه الكهربائية بصورة ذاتية استجابة للتغيرات في درجة الحرارة الناتجة عن ضوء الشمس.

وأوضح الباحثون أنه كلما ازدادت شدة ضوء الشمس ارتفعت حرارة المحلل الكهربائي بشكل طبيعي، وعندها تنخفض مقاومته الكهربائية، مما يسمح بمرور كمية أكبر من التيار الكهربائي، وبهذه الطريقة يتكيف الجهاز تلقائيا مع الظروف المتغيرة من دون الحاجة إلى بطاريات أو دوائر إلكترونية للتحكم.

ويؤدي هذا السلوك الذاتي إلى الحفاظ على إنتاج الوقود بمعدل أكثر استقرارا طوال اليوم، مع تقليل الاعتماد على المكونات الإضافية المكلفة. كما يجعل النظام أبسط من حيث التصميم وأسهل من حيث التشغيل والصيانة.

وعندما اختبر الباحثون النظام في ظروف خارجية حقيقية وتحت ضوء الشمس الطبيعي، تمكن من إنتاج حمض الفورميك باستمرار من الماء وثاني أكسيد الكربون رغم التغيرات المستمرة في شدة الإشعاع الشمسي.

وأشار الفريق إلى أنهم سبق أن عرضوا نسخة من هذه التقنية خلال معرض إكسبو أوساكا-كانساي 2025، حيث نجح النظام في إنتاج كمية كافية من حمض الفورميك لتشغيل نموذج مصغر داخل الجناح المخصص للمشروع، مما وفر دليلا عمليا على إمكانية استخدام هذه التقنية مستقبلا في تزويد التطبيقات المنزلية بالطاقة أو تخزين الطاقة الشمسية في صورة وقود كيميائي يمكن استخدامه عند الحاجة.

ويرى الباحثون أن هذه النتائج تمثل خطوة مهمة نحو تطوير أنظمة تمثيل ضوئي اصطناعي أكثر كفاءة وأقل تكلفة، قادرة على تحويل ضوء الشمس وثاني أكسيد الكربون إلى وقود نظيف بطريقة تلقائية ومستدامة، وهو ما قد يسهم في المستقبل في تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري وخفض انبعاثات الكربون.