اقتصاد دانش بنیان

دستیابی به آینده‌ای با انرژی‌های پایدار

تولید انرژی پاک با کمک خورشید و آب دریا

انرژی که از خورشید در طول یک ساعت به زمین می‌رسد برای تامین تمام انرژی مورد استفاده بشریت در یک سال کفایت می‌کند. تصور کنید اگر بتوان انرژی خورشید را به‌گونه‌ای مقرون‌به‌صرفه، مقیاس‌پذیر و سازگار با محیط‌ زیست برای نیازهایمان استحصال کنیم، چه قدم بزرگی برداشته‌ایم. محققان مدت‌هاست این را یکی از چالش‌های اساسی قرن بیست‌و‌یکم می‌دانند.

الکترولیز آب
دکتر دانیل اسپوزیتو، استادیار مهندسی شیمی در دانشکده مهندسی دانشگاه کلمبیا، الکترولیز آب را مطالعه می‌کند؛ فرایند شکستن مولکول آب به عناصر سازنده‌اش یعنی اکسیژن (O2) و هیدروژن‌(H2) . این روش راهی برای تبدیل برق تولید شده از فتوولتائیک خورشیدی به سوخت قابل ذخیره هیدروژن است. هیدروژن یک سوخت پاک است که در حال حاضر برای پرتاب راکت در برنامه‌های فضایی ناسا استفاده می‌شود و به میزان زیادی انتظار می‌رود که نقش مهمی در آینده انرژی‌های پایدار ایفا کند. بیشتر هیدروژن در دسترس امروزی به کمک گاز طبیعی و از طریق روشی به نام اصلاح بخار متان تولید می‌شود که به طور همزمان دی‌اکسید کربن آزاد می‌کند، اما الکترولیز آب با استفاده از برق خورشیدی، به عنوان یک مسیر امیدوار‌کننده برای تولید هیدروژن هیچ‌گونه انتشار دی‌اکسید کربنی وجود ندارد.
تیم دکتر اسپوزیتو در حال حاضر یک الکترولیزور جدید با تامین انرژی بر پایه فتوولتائیک ابداع کرده‌اند که می‌تواند به عنوان یک پلتفرم مستقل با قابلیت شناوری در آب عمل می‌کند. این نوآوری (PV-Electrolyzer) را می‌توان دکل انرژی خورشیدی در نظر گرفت که به دکل‌های استخراج نفت در مناطق عمیق دریا شباهت‌هایی دارد، با این تفاوت که به جای استخراج نفت خام از زمین، سوخت پاک هیدروژن را به کمک انرژی خورشید و آب تامین می‌کند.
نوآوری کلیدی محققان روشی است که آن‌ها برای جداسازی اکسیژن و هیدروژن به کمک الکترولیز آب به کار می‌برند. الکترولیزورهای پیشرفته از غشاهایی گران‌قیمت برای حفظ جدایی این دو گاز استفاده می‌کنند. به جای آن، دستگاه ابداعی مهندسان دانشگاه کلمبیا‌، بر ساختار جدیدی الکترودی استوار است که امکان جداسازی و جمع‌آوری گازها را با استفاده از شناوری حباب‌ها در آب مهیا می‌سازد. این طراحی عملیات را با کارامدی و خلوص تولید بالا و بدون نیاز به پمپ دائمی الکترولیت ممکن می‌کند. بر اساس مفهوم جداسازی القایی به کمک شناوری، طراحی ساده این الکترولیزور، تولید هیدروژن با خلوص 99 درصد امکان‌پذیر می‌شود.

مکانیسم نوآورانه
دکتر اسپوزیتو که سرپرست آزمایشگاه مهندسی سوخت‌های خورشیدی دانشگاه کلمبیاست و فناوری‌های مرتبط با استحصال انرژی خورشیدی و الکتروشیمیایی را مورد مطالعه قرار می‌دهد، او می‌گوید: «سادگی طراحی این وسیله که نیازی به غشا یا پمپ ندارد به لطف هزینه کم و دوام بالا در مقایسه با دستگاه‌های فعلی که دارای غشا هستند، آن را برای الکترولیز آب دریا جذاب می‌سازد. ما معتقدیم که نمونه اولیه ما اولین مورد از سیستم‌های شناور الکترولیز بدون نیاز به غشاست که می‌تواند مقادیر زیادی سوخت هیدروژن را به کمک نور خورشید و آب دریا تولید کند، بدون این‌که فضایی روی زمین اشغال کند یا برای ذخایر آب قابل کاربرد در کشاورزی رقیب محسوب شود.»
دستگاه‌های الکترولیز تجاری بر پایه یک غشا یا تقسیم‌کننده استوارند که الکترودها (محل تولید گازهای اکسیژن و هیدروژن) را داخل وسیله از هم جدا نگه می‌دارند. اکثر تحقیقات در مورد دستگاه‌های الکترولیز بر تجهیزاتی تمرکز دارند که شامل یک غشا می‌شود. این غشاها و تقسیم‌کننده‌ها در معرض خطر تخریب و اختلال هستند و به منبع آب با خلوص بالا نیاز دارد. آب دریا حاوی ناخالصی‌ها و میکروارگانیسم‌هایی است که می‌تواند این غشاها را از بین ببرد.
جک دیویس از محققان این پژوهش توضیح می‌دهد: «امکان نمایش کارکرد دستگاهی که می‌تواند الکترولیز را بدون نیاز به غشا انجام دهد، گام پراهمیتی جهت الکترولیز آب دریا به حساب می‌آید. این ژنراتورهای تولید سوخت خورشیدی اساسا سیستم‌های فتوسنتزی مصنوعی هستند، در واقع همان کاری را انجام می‌دهند که گیاهان در فتوسنتز انجام می‌دهند، بنابراین دستگاه ما می‌تواند فرصت‌هایی نوین برای تولید انرژی پاک و قابل تجدید فراهم کند.»
آنچه برای این دستگاه الکترولیز بسیار حیاتی به حساب می‌آید، یک ساختار جدید الکترودهاست که به صورت شبکه‌ای طراحی شده و تنها در یک سمت پوشش داده شده‌اند تا جریان آب بتواند از درون آن‌ها بگذرد. این الکترودهای نامتقارن، تولید گازهای هیدروژن و اکسیژن را تنها در سطوح بیرونی الکترودها، جایی که کاتالیزورها قرار دارند، امکان‌پذیر می‌سازد. هنگامی که حباب‌های هیدروژن و اکسیژن در حال رشد به اندازه کافی بزرگ می‌شوند، در اثر شناوری به سمت بالا و به اتاقک‌های جمع‌‌آوری جداگانه حرکت می‌کنند.
تیم مطالعاتی از آزمایشگاه اتاق تمیز دانشگاه کلمبیا برای اضافه کردن الکتروکاتالیست پلاتین روی الکترودهای شبکه و چاپگرهای سه‌بعدی Columbia Makerspace برای ساخت بسیاری از اجزای این رآکتور استفاده کردند. آن‌ها همچنین از یک دوربین ویدئویی با سرعت بالا برای نظارت بر جا‌به‌جایی حباب‌های هیدروژن و اکسیژن بین الکترودها بهره بردند؛ فرایندی که به عبور معروف است. عبور بین الکترودها نامطلوب به حساب ‌می‌آید زیرا باعث کاهش خلوص محصول می‌شود و منجر به نگرانی‌هایی در مورد امنیت دستگاه و نیاز به تعبیه واحدهای جداسازی پایین‌دستی می‌شود که روند تولید را گران‌تر می‌کند.
به منظور نظارت بر پدیده عبور هیدروژن و اکسیژن، محققان منفذ‌هایی را در تمام دستگاه‌های الکترولیز نصب کردند تا بتوانند فیلم‌های با سرعت بالا از تکامل حباب‌های گاز را از الکترود‌ها در حالی که دستگاه مشغول فعالیت بود، تهیه کنند. این فیلم‌ها به طور معمول با نرخ 500 فریم در ثانیه (یک آیفون معمولی با سرعت 30 فریم در ثانیه تصویر ضبط می‌کند) تهیه می‌شوند. تیم پژوهشگران طراحی خود را برای کارایی بالاتر در آب دریای واقعی که چالش‌های اضافی را نسبت به الکترولیت‌های آبی ایده‌آل به کار رفته در مطالعات آزمایشگاهی به همراه دارد، بهبود می‌دهند. آن‌ها همچنین قصد دارند طرح‌هایی برای ساخت سیستم‌های بزرگ‌تر آماده کنند.
دکتر اسپوزیتو اضافه می‌کند: «برای دستیابی به آینده‌ای با انرژی‌های پایدار، راه‌حل‌های تکنولوژیکی فراوانی وجود دارند، اما هیچ‌کس نمی‌داند دقیقا چه تکنولوژی خاص یا ترکیبی از فناوری‌ها برای رسیدن به این هدف بهتر خواهد بود. ما به ویژه در مورد پتانسیل فناوری‌های مرتبط با استحصال انرژی خورشیدی به دلیل حجم عظیم این انرژی که در دسترس است، هیجان‌زده هستیم. چالش این‌جاست که بتوانیم به گونه‌ای مقرون‌به‌صرفه و در مقیاس بالا نور خورشید را به انرژی قابل ذخیره‌سازی و کاربردی تبدیل کنیم.»