طريقة بسيطة لإنتاج الهيدروجين من الماء في درجة حرارة الغرفة.. ما القصة؟

يعد وقود الهيدروجين بأن يكون مصدرا نظيفا ووفيرا للطاقة في المستقبل - ما دام يمكن للعلماء اكتشاف طرق لإنتاجه عمليا وبتكلفة منخفضة، ودون الوقود الأحفوري.

طريقة بسيطة لإنتاج الهيدروجين من الماء في درجة حرارة الغرفة.. ما القصة؟

وتزودنا دراسة جديدة بخطوة واعدة أخرى في هذا الاتجاه، بشرط أن تتمكن من الاستفادة من الإمدادات الحالية من الألمنيوم والغاليوم بعد الاستهلاك.

وفي البحث الجديد، يصف العلماء طريقة بسيطة نسبيا تتضمن جزيئات الألمنيوم النانوية القادرة على تجريد الأكسجين من جزيئات الماء وترك غاز الهيدروجين.

وتنتج العملية كميات كبيرة من الهيدروجين، وكلها تعمل في درجة حرارة الغرفة.

وهذا يزيل أحد أكبر العوائق التي تحول دون إنتاج وقود الهيدروجين: الكميات الكبيرة من الطاقة المطلوبة لإنتاجه باستخدام الأساليب الحالية.

وتعمل هذه التقنية مع أي نوع من المياه أيضا، بما في ذلك مياه الصرف الصحي ومياه المحيط.

ويقول عالم المواد سكوت أوليفر من جامعة كاليفورنيا، سانتا كروز (UCSC): "لسنا بحاجة إلى أي مدخلات للطاقة، وهي تتسبب في فقاعات الهيدروجين بجنون. لم أر شيئا مثله من قبل".
ويكمن مفتاح العملية في استخدام معدن الغاليوم لتمكين التفاعل المستمر مع الماء. ويُعرف تفاعل الألومنيوم والغاليوم والماء هذا منذ عقود، ولكن هنا قام الفريق بتحسينه بعدة طرق.

وبمساعدة المسح المجهري الإلكتروني وتقنيات حيود الأشعة السينية، تمكن الباحثون من العثور على أفضل مزيج من الألومنيوم والغاليوم لإنتاج الهيدروجين بأكبر قدر من الكفاءة: مركب 3:1 من الغاليوم والألمنيوم.

وتؤدي السبائك الغنية بالغاليوم مهمة مزدوجة في إزالة طلاء أكسيد الألومنيوم (الذي عادة ما يمنع التفاعل مع الماء) وفي إنتاج جسيمات الألمنيوم النانوية التي تتيح تفاعلات أسرع.

وكما يقول باكتان سينغارام، أستاذ الكيمياء العضوية في جامعة كاليفورنيا: "يفصل الغاليوم الجسيمات النانوية ويمنعها من التكتل إلى جزيئات أكبر. وكافح الناس لصنع جزيئات الألمنيوم النانوية، وها نحن ننتجها تحت الضغط الجوي العادي وظروف درجة حرارة الغرفة".

ويقول الباحثون إن طريقة الخلط ليست معقدة، ويمكن تخزين المادة المركبة لمدة ثلاثة أشهر على الأقل عند غمرها في الهكسان الحلقي لحمايتها من الرطوبة، ما قد يؤدي إلى تدهور فعاليتها. والألمنيوم أسهل في الحصول عليه من الغاليوم لأنه يمكن الحصول عليه من مواد ما بعد الاستهلاك، مثل علب الألمنيوم المهملة والرقائق المعدنية.

ويعتبر الغاليوم أكثر تكلفة وأقل وفرة، ولكن في هذه العملية على الأقل يمكن استعادته وإعادة استخدامه عدة مرات دون أن يفقد فعاليته.

ولا يزال هناك عمل يجب القيام به، ليس أقله في التأكد من إمكانية توسيع نطاقه من إعداد معمل إلى شيء يمكن استخدامه على نطاق صناعي. ومع ذلك، فإن العلامات المبكرة تشير إلى أن هذه طريقة أخرى لديها الكثير من الإمكانات لإنتاج وقود الهيدروجين.

واستنتج الباحثون في ورقتهم البحثية: "بشكل عام، ينتج مزيج Ga-Al [الغاليوم والألومنيوم الغني بالاليوم] كميات كبيرة من الهيدروجين في درجة حرارة الغرفة مع عدم وجود مدخلات للطاقة، أو التلاعب بالمواد، أو تعديل الأس الهيدروجيني".
تضافرت جهود "الغلاف الجوي للمريخ والتطور المتقلب" (MAVEN) التابع لناسا ومسبار الأمل الإماراتي لدراسة الشفق القطبي فوق البنفسجي الذي يرقص ويتوهج عاليا في الغلاف الجوي للمريخ.

ويكشف البحث الجديد أن هذه الأحداث النهارية ليست دائما منتشرة، وخالية من الملامح وموزعة بالتساوي، ولكنها ديناميكية ومتغيرة للغاية، وتحتوي على هياكل دقيقة.

وقال عالم الكواكب مايك شافين من جامعة كولورادو بولدر: "تشير ملاحظات EMM (مهمة الإمارات لاستكشاف المريخ) إلى أن الشفق القطبي كان واسع الانتشار وغير منظم لدرجة أن بيئة البلازما حول المريخ يجب أن تكون مضطربة حقا، لدرجة أن الرياح الشمسية كانت تؤثر بشكل مباشر على الغلاف الجوي العلوي أينما لاحظنا الانبعاث الشفقي. ومن خلال الجمع بين الملاحظات الشفقية لـ EMM وقياسات MAVEN لبيئة البلازما الشفقية، يمكننا تأكيد هذه الفرضية وتحديد أن ما نراه كان في الأساس خريطة لمكان تمطر الرياح الشمسية على الكوكب".
ووصف الشفق البروتوني - الشفق الأكثر شيوعا على الكوكب الأحمر - لأول مرة في عام 2018، كما يظهر في بيانات MAVEN. وتتشكل بشكل مشابه إلى حد ما لكيفية تشكل الشفق على الأرض؛ ومع ذلك، نظرا لأن المريخ وحش مختلف تماما، دون غلاف مغناطيسي مدفوع داخليا مثل الأرض، فإن النتيجة النهائية فريدة بالنسبة للمريخ.

ويتشكل الشفق البروتوني عندما تصطدم البروتونات الموجبة الشحنة في الرياح الشمسية بغلاف الهيدروجين الخاص بالمريخ وتتأين، ما يسرق الإلكترونات من ذرات الهيدروجين لتصبح محايدة.
ويسمح تبادل الشحنة هذا للجسيمات المحايدة بتجاوز صدمة المجال المغناطيسي حول المريخ، حيث تمطر في الغلاف الجوي العلوي وتنبعث منها ضوء فوق بنفسجي.

وكان يعتقد أن هذه العملية أنتجت بشكل موثوق انبعاث شفقي موحد على مدار أيام المريخ. وتظهر الملاحظات الجديدة خلاف ذلك.

وبدلا من المظهر الجانبي السلس المتوقع، تُظهر البيانات من مسبار الأمل أن الشفق القطبي أحيانا يكون غير مكتمل، ما يشير إلى أنه يمكن أن تكون هناك عمليات غير معروفة أثناء تكوين هذه الشفق.

وتحمل المركبة المدارية التابعة لناسا مجموعة كاملة من أدوات البلازما، لاستكشاف الرياح الشمسية، والبيئة المغناطيسية، والأيونات الحرارية في الفضاء حول المريخ.

وبعبارة أخرى، فإن التفاعل الفوضوي النادر بين المريخ والرياح الشمسية هو المسؤول عن الشفق القطبي غير المكتمل.

ومع ذلك، من الممكن أن تكون هناك آثار على الغلاف الجوي على المدى الطويل وفقدان المياه؛ دون مجال مغناطيسي عالمي، يستمر المريخ في فقدان كليهما.

ومن المثير للاهتمام أن الشفق القطبي البروتوني - سواء كان أملس أو غير مكتمل - يمكن أن يساعدنا في فهم واحد على الأقل من هذه، نظرا لأن الهيدروجين المتضمن يتم إنشاؤه جزئيا بواسطة الماء الموجود في الغلاف الجوي للمريخ المتسرب إلى الفضاء.

وكتب الباحثون: "ستكون هناك حاجة إلى العديد من دراسات البيانات والنمذجة المستقبلية لاستكشاف الآثار الكاملة لهذه الظروف على تطور الغلاف الجوي للمريخ."