الطاقة الشمسية طاقةٌ نظيفةٌ ووفيرةٌ ولا تنضب، وهي مصدر معظم الطاقات الأخرى. ولكن وجودها يقتصر على النهار ويغيب عن الليل والأيام الملبدة بالغيوم. كما أنها تسطع في المناطق الاستوائية الدافئة أكثر بكثير من المناطق الباردة الأخرى. ونحن بحاجة إلى طريقة تجعلنا نحتفظ بطاقة الشمس في أوقات سطوعها، لاستعمالها في أوقات غيابها، وتصديرها إلى المناطق الباردة. لتكون وقتها مورداً اقتصادياً كبيراً ومتجدداً، وحلاً مثالياً للمشكلات البيئية التي نعاني منها. فهل ما نصبو إليه هو تمنياتٌ تنتمي إلى الخيال العلمي؟

استطعنا حتى اليوم استغلال الطاقة الشمسية في تسخين المياه، لكن المياه وسيلةٌ ضعيفة لتخزين الحرارة والطاقة. واستطعنا كذلك تخزينها في خلايا كهروضوئية، ولكن تكلفتها الاقتصادية عالية وغير تنافسية، كما أن تقنياتها لا تزال بدائية.
والحال أن النباتات، وبعض الطحالب والبكتيريا، تقوم ببساطة بما نَعُدُّه نحن خيالاً علمياً. فمعظم الطاقة التي نستخدمها اليوم، والتي هي على شكل وقودٍ أحفوريٍ أو كتلة حيوية، مصدرها أشعة الشمس عن طريق التمثيل الضوئي. حيث تحوّل النباتات، وبعض الطحالب والبكتيريا، طاقة ضوء الشمس إلى طاقة كيميائية، وذلك باستخدام مادة الكلوروفيل وتحجز طاقة الضوء في أوراقها وتستخدمها لتحويل ثاني أكسيد الكربون من الجو والمياه الجوفية إلى كربوهيدرات، وتغذي كافة أشكال الحياة على الأرض وتمدها بالطاقة والأوكسجين.
والمفارقة هي أن التمثيل الضوئي في الطبيعة، وعلى الرغم من الأهمية القصوى لنتائجه، غير فعّال. فالنباتات تحوّل حوالي %1 فقط من الكربون والماء إلى كربوهيدرات. وبالمقارنة، تمكَّن الباحثون في المختبر من زيادة هذه الكفاءة إلى حوالي %10، وحقق مؤخراً باحثون في جامعة موناش في ملبورن بأستراليا، مستوى كفاءة وصلت إلى %22.
هنا يبرز سؤال مهم: إذا كنا قادرين على فعل ذلك أفضل من الطبيعة، فلماذا إذاً لا ننتج طاقة الشمس على نطاقٍ واسعٍ؟ الجواب على ذلك يحيلنا إلى الاقتصاد. إن التقنيات المستخدمة في ذلك، حتى اليوم، مكلفةٌ جداً ولا يمكنها منافسة المصادر الأخرى للطاقة. والمطلوب تطورات تقنية نوعية تعكس هذه المعادلة.
لذلك، وفي ما يشبه منافسة دولية، كثَّف العلماء في الفترة الأخيرة أبحاثهم في كيفية الوصول إلى هذه المرحلة المتقدِّمة من التمثيل الضوئي الاصطناعي. وقد توصَّل عدد كبيرٌ منهم إلى تطورات مهمة تجعلنا شبه متيقنين أننا على أبواب ثورة في عالم الطاقة النظيفة خلال العقد المقبل، كما يقول الباحث في علم المواد في جامعة “إم آي تي” جيفري غروسمان.

ساعات سطوع الشمس السنوية حول العالم
تتفاوت مدة سطوع الشمس كثيراً بين منطقة وأخرى من الكرة الأرضية. فبينما يقل المعدّل السنوي عن 1,200 ساعة في القطبين الشمالي والجنوبي والمناطق القريبة منهما، تتجاوز 4,000 ساعة في بعض المناطق الاستوائية خاصة في المنطقة العربية.

التمثيل الضوئي الاصطناعي
تقوم تقنيات التمثيل الضوئي الاصطناعي على محاكاة التمثيل الطبيعي الذي تقوم به النباتات عن طريق تلاعب كيميائي ينتج الوقود السائل من دون الحاجة إلى الكلوروفيل. وذلك بتحويل أشعة ضوء الشمس إلى وقود شمسي من خلال عملية تنطوي على تعريض جزيئات الماء لأشعة الشمس لفصل ذرات الهيدروجين والأوكسجين بعضها عن البعض الآخر، ثم الجمع بين الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون لتكوين وقود سائل. ويمكن أيضاً تكثيف الهيدروجين المتولد، تحت الضغط في درجات حرارة منخفضة جداً، في وقود هيدروكربون سائل (LH2) وغاز هيدروجين بسيط وفلز الهيدريد، أو تحويله إلى ميثانول. كما يمكن استخدام الهيدروجين المسال بالطريقة نفسها التي يُستخدم فيها البنزين والديزل، أو يمكن استخدامه في خلايا الوقود لتوليد الكهرباء. وسيمكّن الوقود الشمسي من تخزين الطاقة الشمسية التي يتم التقاطها في الأماكن التي يتوفر فيها سطوع الشمس، وتصدير أشعتها على شكل هيدروجين وغيره.
وستوفر هذه الأنواع من الوقود جميع مزايا الوقود الأحفوري التقليدي إلى جانب الفوائد البيئية للطاقة المتجدِّدة. لذلك تهدف الأبحاث حول الوقود السائل المشتق من الطاقة الشمسية إلى تقديم مجموعة من المنتجات المتوافقة مع البنية التحتية للطاقة الحالية، مثل البنزين ووقود الطائرات والهيدروجين.

الطلب على الهيدروجين المسال
رُبَّ ضارة نافعة، فقد كانت كارثة فوكوشيما النووية في عام 2011م في اليابان، المحفِّز الأساسي وراء إطلاق مشروعات تصدير أشعة الشمس على شكل هيدروجين وغيره.
فمنذ تلك الكارثة، اعتمدت اليابان على واردات الوقود الأحفوري لتلبية %94 من احتياجاتها من الطاقة. ولكن بموجب اتفاقية باريس لتغير المناخ، التزمت اليابان بخفض انبعاثات الكربون بنسبة %26 في عام 2030، من خط الأساس لعام 2013م، وبنسبة %80 في عام 2050م. وذلك يحتاج إلى بدائل نظيفة لتلك الطاقة ليست متوفرة في اليابان، خاصة وأنه ليس لديها أشعة الشمس الكافية لتحقيق هذه الطاقة المتجدِّدة الخاص بها.
الحل شبه الوحيد، الذي توصَّل إليه الخبراء والباحثون اليابانيون، هو استيراد الهيدروجين. ووضعوا في عام 2017م خطة لتوليد ما بين 15 إلى 30 غيغاوات من الطاقة الكهربائية من الهيدروجين المستورد بحلول عام 2030م. وهذا الطلب الكبيـر على الهيدروجين حفز استخراجه في أستراليا، حيث تتوفر أشعة الشمس بكثرة. ولكن هل ستتوفر تقنيات وخطط استخراج الهيدروجين باستخدام أشعة الشمس؟

التمثيل الضوئي في الطبيعة،
وعلى الرغم من الأهمية القصوى
لنتائجه، غير فعّال. فالنباتات
تحوّل حوالي %1 فقط من
الكربون والماء إلى كربوهيدرات.

حالياً، تتوفر إمكانيةٌ لإنتاجه على نطاق ضيق وغير اقتصادي. ولسد حاجات اليابان وغيرها، تحتاج أستراليا إلى أن تكون قادرة على إنتاج الهيدروجين على نطاق واسع. ويقول كوندو فرانسوا أغوي زينسو، باحث تخزين الهيدروجين بجامعة نيو ساوث ويلز في سيدني، “إن هذه التكنولوجيا موجودة بالفعل، والتحدي الكبير هو كيف نطور بيئة كاملة لإنتاج الهيدروجين. على سبيل المثال، نحن نعرف بالفعل كيفية إنتاج وتخزين ونقل الهيدروجين للاستخدام، ولكن التقنيات الحالية غالية الثمن”. ويقول دارين ميلر، الرئيس التنفيذي للوكالة الأسترالية للطاقة المتجددة التي تمول الجهود الرامية إلى تسويق هذه التقنيات: “كل هذه الأشياء تحتاج إلى ابتكار لتخفيض تكاليف الخروج من سلسلة التوريد إلى السوق”.
فلتصدير الهيدروجين، على سبيل المثال، هناك طريقة معروفة تتمثل في تسييله، كما هو الحال مع صادرات الغاز الطبيعي. ولكن في حين أن الغاز الطبيعي يصبح مسالاً عند ناقص 161 درجة مئوية، يحتاج الهيدروجين إلى ناقص 253 درجة مئوية ليصبح كذلك، مما يجعل تسييله أكثر تكلفة. من هنا تبرز أهمية تحسين كفاءة التسييل، وهذا هو أحد مجالات البحث حالياً.
وتشمل الأفكار الأخرى التي يتم استكشافها نقل الهيدروجين عن طريق تحويله إلى جزيئات يمكن أن تحتوي على أعداد كبيرة من ذرات الهيدروجين، مثل هيدرات المعادن، وتخزينه في مواد تمتص الهيدروجين وتطلقه مثل الإسفنج.
لكن التحدي الرئيس، كما يقول ميلر، هو خفض تكلفة الآلات التي تقسم الماء إلى أوكسجين وهيدروجين. ومن شأن إنتاج هذه المحولات الكهربائية بكميات كبيرة أن يخفض تكلفة الوحدة. ولكن الطلب على الهيدروجين لم يكن كبيراً كفايةً لتحفيز إنتـاج كبيـر لهذه المحولات، وهذا لن يحدث إلا إذا انخفضت أسعار الهيدروجين، يقول فينكل: “الوضع يشبه التساؤل: أيهما قبل الآخر الدجاجة أم البيضة؟”.
ويعلق كريج باكلي، وهو باحث في تخزين الهيدروجين من جامعة كورتين، غرب أستراليا، على ذلك بالقول، هذه المرَّة مختلفة، إن الطلب القوي، الذي بدأ في اليابان وكوريا الجنوبية وسنغافورة، هو أحد العوامل الرئيسة الجديدة. والعامل الآخر هو انخفاض سعر الكهرباء التي تعمل بالطاقة الشمسية وطاقة الرياح، والتي تُعدُّ الجزء الأكبر من تكلفة إنتاج نظيف للهيدروجين. ذلك لأنه منذ عام 2010م، ومع زيادة الصين في إنتاج الألواح الشمسية وتوربينات الرياح، انخفضت تكلفة الكهرباء الشمسية بنسبة %80، ومن الرياح بنسبة %50، ولا تزال أسعارها تنخفض.
يضيف باكلي: “لقد انخفضت أسعار الطاقة المتجدِّدة إلى حد بعيد في السنوات العشر الماضية، وباتت تمكننا من إنتاج الهيدروجين من مصادر الطاقة المتجددة بتكلفة تكاد تكون تنافسية مع غيرها. لقد أحدث هذا نقلة نوعية في مجال إنتاج الهيدروجين”. ولكن ألان فينكل، كبير العلماء، الذي تم تكليفه بوضع استراتيجية وطنية للهيدروجين يقول: “هذا لا يعني أن الأمر سيكون سهلاً، لكن يمكن تصوره، وهذا لم يكن ممكناً في السابق. فالهدف المستقبلي الذي نخطط له هو سعر إنتاج هيدروجين بحوالي 2 دولار أسترالي للكيلوغرام، مقارنة بحوالي 6 دولارات أسترالي للكيلوغرام اليوم”.
وعلَّقت صحيفة الغارديان في عددها الصادر بتاريخ 14 يوليو 2019م على مشاريع تصدير أشعة الشمس في أستراليا بقولها: “ستولد مليارات الدولارات وتجعل من أستراليا مركز الطاقة منخفضة التكلفة في عالم مستقبلي خالٍ من الكربون”.
إن نجاح هذه الخطط الطموحة جميعها، بما فيها، كما يقول باكلي، تخفيض سعر إنتاج الهيدروجين إلى ثلث سعره الحالي، مرهونٌ بالتطورات التقنية النوعية العديدة الذي توصَّل إليها العلماء حول العالم في المدة الأخيرة، ووضعها موضع التنفيذ. وسنعرض في السطور اللاحقة لبعضٍ من أهمها.

تطورات تقنية جديدة
جسيمات الذهب بدل الكلوروفيل
طوَّر العلماء طريقة جديدة لتحقيق التمثيل الضوئي الاصطناعي، وإنتاج الهيدروكربونات عالية الطاقة من خلال الاستفادة من جزيئات الذهب الغنية بالإلكترونيات كمحفز.
ويعتمد البحث الجديد لعالم الكيمياء براشانت جاين، من جامعة إيلينويس، على العمل السابـق الذي قـاده في عام 2018م للتحقيق في استخدام الجسيمات النانوية الذهبية بدلاً من الكلوروفيل، وهي نوعٌ من صبغة تشكِّل عاملاً محفزاً في عملية التمثيل الضوئي الطبيعي الذي تقوم فيها النباتات، مما يساعد على دفع التفاعل الكيميائي.
في تلك التجارب، وجد الفريق أن جزيئات الذهب الكروية الصغيرة التي تقيس فقط نانومترات في الحجم يمكنها امتصاص الضوء الأخضر المرئي وتحوّل الإلكترونات والبروتونات التي يحفزها الضوء إلى جزيئات ثاني أكسيد الكربون.
تمضي الدراسة الجديدة إلى أبعد من ذلك بالأسلوب نفسه، حيث تحوّل ثاني أكسيد الكربون إلى جزيئات وقود هيدروكربونية معقَّدة، بما في ذلك البروبان والميثان، التي يتم تصنيعها عن طريق الجمع بين الضوء الأخضر والجزيئات النانوية الذهبية في سائلٍ أيوني.
ولكن الباحثين يعترفون أنهم بحاجة الآن إلى تحسين قدرة الجسيمات النانوية الذهبية على دفع هذه التحولات الكيميائية، واستكشاف كيف يمكن للتطبيقات المستقبلية المحتملة أن تعمل على نطاق واسع.

بوليمر جديد يمتص الحرارة ثم يطلقها
وتوصَّل فريق من الباحثين بقيادة الدكتور دانداباني فينكاتا رامان، عالم الكيمياء في معهد ماساتشوستس، عند بداية عام 2019م، من صنع بوليمر جديد فعَّال بشكل مذهل في امتصاص وإطلاق الحرارة. وأطلق عليه اسم “أزوبما” ( AzoPMA). ويمكن لهذا البوليمر أن يحدث ثورة في صناعة البطاريات الحرارية.
وتتميز هذه المادة الجديدة بقدرتها على تخزين 200 مرَّة من الطاقة الحرارية ما تخزنه المياه.

محطة تكرير شمسي
تحوِّل ضوء الشمس والهواء إلى وقود سائل
وتمكَّن باحثون من جامعة “إي تي إيتش” زيوريخ في ألمانيا، في منتصف عام 2019م، بقيادة ألدو ستاينفيلد أستاذ الطاقة المتجدِّدة، من إنشاء محطة تكرير شمسية تستخرج ثاني أكسيد الكربون والماء مباشرة من الهواء المحيط باستخدام الطاقة الشمسية. وتؤدي هذه العملية إلى إنتاج مادة “سينغاز” أو غاز التصنيع، وهو خليط من الهيدروجين وأول أكسيد الكربون، التي يتم تحويلها لاحقاً إلى كيروسين أو ميثانول أو غيرها من الهيدروكربونات. ومثل هذه الأنواع من الوقود جاهزة للاستخدام في البنية التحتية الحالية للنقل العالمي.

انخفضت أسعار الطاقة المتجدِّدة إلى حد بعيد في السنوات العشر الماضية، وباتت تمكننا من إنتاج الهيدروجين من مصادر الطاقة المتجدِّدة بتكلفة تكاد تكون تنافسية مع غيرها.

تركيب كيميائي جديد يخزن حرارة الشمس
وتوصَّل باحثون من معهد “إم آي تي” بقيادة جيفري غروسمان إلى تركيبٍ كيميائي جديد قادر على تخزين الحرارة بشكل فعَّال عن الطريقة الشائعة في ما يعرف بـ”مواد تغيير الطور”. وتخزن الطريقة الشائعة الحرارة الداخلة عن طريق إذابة المادة وتغيير طورها من صلبة إلى سائلة. وعند تبريدها إلى أسفل نقطة الانصهار، فإنها تتحوَّل مرَّة أخرى إلى مادة صلبة، وعندها يتم إطلاق الطاقة المخزنة كحرارة. وهناك عديد من الأمثلة على هذه المواد، منها الشموع أو الأحماض الدهنية المستخدمة في التطبيقات ذات درجات الحرارة المنخفضة، والأملاح المنصهرة المستخدمة عند درجات الحرارة العالية. لكنها كلها تتطلب قدراً كبيراً من العزل، كما أنها عندما تمر بتغيير طور درجة الحرارة تتصرف بعشوائية وتفقد الحرارة المخزنة بسرعة نسبياً.
بدلاً من ذلك، يستخدم النظام الجديد رموز التبديل الجزيئية التي تغير شكلها عند تعرّضها للضوء عند دمجها مع مواد تغيير الطور، يمكن ضبط درجة حرارة تغيير الطور للمادة المختلطة بواسطة الضوء، مما يسمح بالحفاظ على الطاقة الحرارية لتغير الطور حتى أقل بكثير من نقطة انصهار المادة الأصلية.
يقول غروسمان: “من خلال دمج جزيء يتم تنشيطه بالضوء في الصورة التقليدية للحرارة الكامنة، نضيف نوعاً جديداً من مقبض التحكم لخصائص مثل الذوبان والتصلب والتبريد الفائق”.
وفي السنة نفسها، قام فريق آخر من المعهد نفسه بقيادة إيفلين وانغ بتطوير مادة جديدة تحفظ الحرارة بطريقة فعالة. وتقول وانغ، إن مفتاح جمع الطاقة الشمسية بكفاءة هو القدرة على الاحتفاظ بشيء ساخن داخلياً مع الحفاظ على البرودة في الخارج. وهناك طريقة واحدة للقيام بذلك وهي استخدام فراغ بين طبقة من الزجاج ومادة سوداء تمتص الحرارة، وهي الطريقة المستخدمة في عديد من التقنيات الحالية، ولكنها غالية الثمن نسبياً، من ناحية التركيب والصيانة. وتهدف طريقتنا إلى إيجاد نظام أقل تكلفة لجمع الحرارة الشمسية عند مستويات درجات الحرارة الأعلى اللازمة لتدفئة المنازل أو الطبخ أو حتى عديد من العمليات الصناعية.
ويقوم الاختراع على تطوير الهلام الهوائي أو “إيروجل”، وهو نوع من المواد الشبيهة بالرغوة المصنوعة من جزيئات السيليكا. وفي اختبار أجري على سطح مبنى في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، تمكَّن جهاز سلبي يتكوَّن من مادة داكنة ممتصة للحرارة مغطاة بطبقة من المادة الجديدة من الوصول إلى درجة حرارة 220 مئوية والحفاظ عليها في منتصف فصل الشتاء، عندما كانت حرارة الهواء الخارجي أقل من درجة التجمد.

إنتاج الهيدروجين في المملكة
ختاماً، وفي المملكة، تولّت شركة “أير ليكيد للهندسة والإنشاء” بناء وحدات لإنتاج الهيدروجين وتنقيته على نطاق عالمي في موقع الشركة في ينبع. وتقوم المنشآت بتزويد الهيدروجين إلى مصافي النفط القريبة التي تنتج 400 ألف برميل في اليوم. ويسمح هذا الهيدروجين بتخفيض محتوى الكبريت في النفط المنتج وتلبية المعايير البيئية.
وتعمل المملكة على بناء مزرعة للطاقة الشمسية في منطقة مكة المكرمة ستنتج 2.6 غيغا واط من الطاقة عند الانتهاء من إنشائها، وستكون أكبر محطة من نوعها في العالم. علماً أن أكبر محطة للطاقة الشمسية في العالم، حتى الآن، افتتحت في يوليو 2019م في الإمارات العربية المتحدة، واسمها “نور أبوظبي”.