هل يمكن للتركيب الضوئي الاصطناعي أن يفتح باب اقتصاد الهيدروجين؟

محاكاة البناء الضوئي الطبيعي

ينشأ جانب كبير من الطاقة الكيميائية التي نستخدمها، مباشرة أو بصورة غير مباشرة، من البناء الضوئي. ويشمل ذلك غذاءنا والمواد العضوية القديمة التي ساهمت في تكوّن الوقود الأحفوري. لكن الشمس والرياح والطاقة النووية وغيرها لا تعتمد كلها على هذه العملية.

ولهذا، يسعى باحثون إلى تحسين البناء الضوئي الطبيعي أو استغلاله في استخدامات جديدة، مثل إنشاء الوقود الحيوي من الطحالب. وقد يساعد تطوير هذه التطبيقات على تقليل الانبعاثات في ظروف مناسبة، لكن فائدتها تعتمد على دورة الحياة كاملة واستخدام الأراضي والطاقة.

ماذا لو أمكن استخدام الضوء لإجراء تفاعلات مشابهة دون كائنات حية؟ هذا هو هدف البناء الضوئي الاصطناعي: محاكاة وظائف مختارة من العملية الطبيعية لإنتاج وقود أو مواد كيميائية. وليس المقصود أن العملية الطبيعية بسيطة أو قابلة للنسخ بسهولة.

تختلف هذه المقاربة عن الخلايا الكهروضوئية، التي تحول الضوء إلى كهرباء يمكن استخدامها بدورها في التحليل الكهربائي. أما التحفيز الضوئي فيسعى إلى تشغيل التفاعل الكيميائي بالضوء مباشرة؛ وليس تفوقه في الكفاءة أو التكلفة مضمونًا.

ناقش باحثون من المعهد الياباني المتقدم للعلوم والتكنولوجيا وجامعة طوكيو تصاميم هلاميات مائية مستوحاة من الطبيعة في عمل نُشر عام 2024 بعنوان «Bioinspired hydrogels: polymeric designs towards artificial photosynthesis¹».

كيف يعمل البناء الضوئي؟

في النباتات، يُعد التركيب الضوئي، بصورة تقريبية، عملية امتصاص ثاني أكسيد الكربون والماء، واستخدام الضوء كمصدر للطاقة، وإنتاج الكربوهيدرات والأكسجين.

المصدر: Britannica

يمكن تلخيص الحصيلة بمعادلة كيميائية، لكن هذه المعادلة لا تصف جميع الخطوات الوسيطة ولا تجعل استنساخ العملية اصطناعيًا أمرًا سهلًا.

المصدر: Britannica

تتكون العملية الطبيعية من منظومة مترابطة لامتصاص الضوء ونقل الشحنات وشطر الماء وتثبيت الكربون. وتساعد هذه الخطوات على تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية.

يوضح شرح موسوعة بريتانيكا هذا التعقيد، كما تعرض المخططات التالية بعض المراحل التفصيلية:

المصدر: Lumen Learning

في النباتات، تُستخدم العملية لإنتاج مركبات عضوية. ويمكن للأنظمة الاصطناعية استخدام الضوء لتفاعلات أخرى، مثل إنتاج الهيدروجين من الماء، دون تكرار جميع مراحل تثبيت الكربون.

الهلاميات المستوحاة من الطبيعة لإنتاج الهيدروجين

تؤكسد النباتات الماء لإطلاق الأكسجين والبروتونات والإلكترونات: ينتج جزيء أكسجين واحد وأربعة بروتونات وأربعة إلكترونات من جزيئَي ماء. أما إنتاج غاز الهيدروجين فيحتاج إلى تفاعل اختزال منفصل يجمع البروتونات والإلكترونات. وتبحث الأنظمة الاصطناعية في كيفية ربط هذه الوظائف.

المصدر: Chemical Communications

من المكونات التي يناقشها العمل معقدات الروثينيوم لامتصاص الضوء وجسيمات البلاتين النانوية للتحفيز. وقد تساعد الشبكة البوليمرية على تنظيم المكونات وتسهيل انتقال الشحنات بينها.

توضح ريينا هاغيوارا، بمعنى كلامها، أن ترتيب المكونات داخل بيئة الهلام يهدف إلى تحسين تحويل الطاقة.

ريينا هاغيوارا — طالبة دكتوراه في المعهد الياباني المتقدم للعلوم والتكنولوجيا

المصدر: Chemical Communications

كفاءة محسّنة

قد تقلل الشبكة البوليمرية تجمع المكونات النشطة، وهو تجمع يمكن أن يخفض كفاءتها. ويعتمد الأثر على تركيب الهلام والمحفز وظروف التشغيل.

يشير كوسوكي أوكيوشي، بمعنى كلامه، إلى أن تنظيم المكونات ودعم انتقال الإلكترونات والحد من تكتلها من تحديات تصميم هذه الأنظمة.

كوسوكي أوكيوشي — أستاذ مشارك في المعهد الياباني المتقدم للعلوم والتكنولوجيا

تُظهر هذه المقاربات إمكان تحسين نشاط إنتاج الهيدروجين في الأنظمة المدروسة. لكنها لا تثبت أن جميع الهلاميات تتفوق على كل التقنيات الأخرى أو أنها جاهزة للإنتاج الصناعي.

المصدر: Chemical Communications

إدارة الضوء داخل الهلام

يمكن أن يؤثر تركيب الهلام في امتصاص الضوء وتشتته ووصوله إلى المواقع النشطة. ويُعد تحسين هذه الخصائص أحد مسارات التطوير، وليس احتجاز الضوء بلا خسائر.

تتيح تصاميم الميكروهلام ضبط الحجم وتوزيع المكونات على مقياس دقيق. ويعتمد التفاعل بين الضوء وهذه البنى على أبعادها وخصائصها البصرية، ولا يكفي جعلها أصغر من طول الموجة لضمان كفاءة عالية.

المصدر: Chemical Communications

ما الذي يحتاجه اقتصاد الهيدروجين؟

يمكن للهيدروجين والأمونيا المصنوعة منه أن يؤديا دورًا في بعض تطبيقات الطاقة منخفضة الانبعاثات. لكن أثرهما البيئي يتوقف على طريقة الإنتاج والنقل والاستخدام.

الهيدروجين حامل للطاقة وليس مصدرًا أوليًا لها. وقد يناسب التخزين الطويل وبعض الصناعات والنقل، بينما تتفوق الكهرباء المباشرة أو البطاريات في تطبيقات أخرى؛ ويتطلب الاختيار مقارنة الكفاءة والبنية التحتية والتكلفة.

يحتاج التحليل الكهربائي إلى كهرباء وتحدث فيه خسائر تحويل، لكن القول إنه يهدر معظم الطاقة في جميع الحالات غير صحيح. فمرجع وزارة الطاقة الأمريكية لحالة أنظمة PEM في 2022 يورد كفاءة نظام تقارب 61% على أساس القيمة الحرارية الدنيا للهيدروجين، مع اختلاف الكفاءة حسب التقنية وظروف التشغيل.

في مسار الكهرباء الشمسية والتحليل الكهربائي، يتحول الضوء إلى كهرباء ثم إلى طاقة كيميائية في الهيدروجين. وتوجد خسائر وتكاليف في كل مرحلة، لكن عدد المراحل وحده لا يحدد أي المسارات أكثر كفاءة أو أقل تكلفة.

وقد تضيف معدات تحويل التيار والنقل خسائر أخرى بحسب تصميم المنشأة، مع إمكان الربط المباشر في بعض الأنظمة.

يهدف التحفيز الضوئي المباشر إلى إنتاج الهيدروجين باستخدام الضوء دون مرحلة كهربائية خارجية مماثلة. ومع ذلك، تبقى داخله خطوات لامتصاص الضوء وفصل الشحنات ونقلها والتحفيز، إضافة إلى متطلبات فصل الغازات والسلامة.

الخطوات التالية

بوليمرات أفضل

يشير العمل إلى أن تصميم الشبكات البوليمرية وتنظيم المكونات النشطة مجالان واعدان لتحسين الأداء. ولا تكفي هذه الإمكانات لإثبات الجدوى التجارية.

يمكن للأبحاث المستقبلية دراسة شبكات وبنى جزيئية مختلفة لتحسين توزيع المحفزات وانتقال الشحنات. لكن زيادة مساحة السطح أو إضافة بنى مستوحاة من الطبيعة لا تضمن وحدها كفاءة أو ثباتًا أفضل.

أكثر من الهيدروجين

لا يقتصر التحفيز الضوئي على إنتاج الهيدروجين؛ فقد يستهدف تصنيع مركبات كيميائية أخرى.

على سبيل المثال، الباحثون اليابانيون في أوساكا وجدوا طريقة لتوليد حمض الفوماريك من البيكربونات وحمض البيروفيك المستخلص من الكتلة الحيوية، باستخدام شكل آخر من التركيب الضوئي الاصطناعي.

ما وراء البلاتين

تستخدم بعض أنظمة إنتاج الهيدروجين البلاتين أو عناصر أخرى من مجموعة البلاتين، ومنها الروثينيوم. ولا تحتاج جميع تقنيات شطر الماء إلى هذه المعادن. وقد يكون الطلب عليها أحد العوامل التي يدرسها المستثمر عند الاستثمار في البلاتين، إلى جانب استخداماته في المركبات الهجينة.

في الوقت نفسه، دفع ارتفاع تكلفة البلاتين الباحثين إلى البحث عن بدائل أكثر كفاءة من حيث التكلفة.

يمكنك قراءة بعض الأمثلة في تطورات إنتاج الهيدروجين باستخدام التحليل الكهربائي القائم على النيكل و إنتاج الهيدروجين بشطر الماء باستخدام برادة معدنية مدمجة.

قد تفتح محفزات بديلة منخفضة التكلفة مسارات جديدة، لكن توافقها مع الهلاميات وإنتاجيتها وثباتها تحتاج إلى اختبار. ولا تثبت النتائج الحالية إنتاج هيدروجين بالغ الرخص من معدن وبوليمر وضوء الشمس وحدها.

الاستثمار في التركيب الضوئي الاصطناعي والهيدروجين

التركيب الضوئي الاصطناعي لا يزال حاليًا مجالًا تجريبيًا يتطور. ومع ذلك، فإن إمكانات اقتصاد الهيدروجين كبيرة بما يكفي لجعل العديد من الشركات تستعد للاستثمار في هذه الإمكانية.

يمكن شراء البلاتين المادي على هيئة سبائك أو عملات من بعض التجار. لكن ذلك ينطوي على فروق أسعار وتكاليف حفظ ومخاطر تقلب السعر، ولا يمنح تعرضًا مباشرًا لتقنية بعينها. أما المجوهرات فتضيف عادة تكاليف تصنيع وتجزئة قد لا تُسترد عند البيع.

وتوجد أيضًا أدوات متداولة مدعومة بالبلاتين المادي، مثل صندوق abrdn Physical Platinum Shares ETF (PPLT) وصندوق GraniteShares Platinum Trust (PLTM).

يمكنك الاستثمار في الشركات المتعلقة بالهيدروجين عبر العديد من الوسطاء، ويمكنك العثور هنا، على securities.io، على توصياتنا لأفضل الوسطاء في الولايات المتحدة الأمريكية، كندا، أستراليا، والمملكة المتحدة، وكذلك العديد من الدول الأخرى.

وتختلف الصناديق بحسب موضوعها. فمثلًا، يركز صندوق VanEck للمعادن الأرضية النادرة والمعادن الاستراتيجية (REMX) على شركات المعادن الأرضية النادرة والاستراتيجية، وليس صندوقًا متخصصًا في البلاتين أو الهيدروجين. ومن أمثلة صناديق قطاع الهيدروجين صندوق Global X Hydrogen ETF الأسترالي (HGEN) أو صندوق VanEck Hydrogen Economy UCITS (HDRO). وقد توزع هذه الصناديق الاستثمار على عدة شركات، لكنها تحمل مخاطر القطاع والتركيز والعملات والرسوم. والهيدروجين هنا حامل للطاقة؛ كما يجب التحقق من توافر كل صندوق وشروطه في بلد المستثمر.

شركة تعمل في خلايا وقود الهيدروجين

BLDP مخطط السعر

تنتج Ballard Power Systems خلايا وقود، وقد قدمت نموذجًا مبكرًا لحافلة تعمل بخلايا الوقود عام 1993.

تستهدف الشركة تطبيقات مثل الحافلات والشاحنات والقطارات والسفن والمعدات والطاقة الثابتة. والتوقعات الواردة في عروضها بشأن مساهمة الشاحنات في 2025 وتوزيع المبيعات بين أوروبا وأمريكا الشمالية كانت تقديرات مستقبلية، وليست نتائج مضمونة.

توقعت التقديرات السوقية المذكورة في المادة الأصلية سوقًا بقيمة 7.5 مليارات دولار لخلايا وقود الشاحنات في 2030. وهذه تقديرات تعتمد على نطاق السوق والافتراضات؛ ولا يصح مقارنتها بجميع تطبيقات الهيدروجين الأخرى أو اعتبارها إيرادات مؤكدة للشركة.

المصدر: Ballard

قد تناسب خلايا الوقود بعض المركبات الثقيلة التي تتطلب مدى طويلًا وتعبئة سريعة، لكن تفوقها على البطاريات يعتمد على مسار التشغيل وتكلفة الوقود والبنية التحتية.

وفي بعض تطبيقات السكك الحديدية يمكن أن تكون بديلًا عن مد خطوط كهربائية علوية، دون أن تلغي الحاجة إلى بنية إنتاج الهيدروجين ونقله وتعبئته.

المصدر: Ballard

وأبرمت الشركة أيضًا اتفاقًا لتوريد خلايا الوقود مع Amogy لمنصات تحول الأمونيا إلى طاقة عبر تكسيرها لاستخراج الهيدروجين ثم استخدامه في خلايا الوقود. ولا يعني ذلك أن خلايا Ballard تستهلك الأمونيا مباشرة.

تختلف خيارات خفض الانبعاثات بين السيارات والمركبات الثقيلة. وقد تشمل البطاريات والهيدروجين والكهرباء المباشرة، بحسب الاستخدام.

قد تستفيد Ballard من نمو الطلب على خلايا الوقود وسياسات خفض الانبعاثات، لكن النجاح التجاري يتوقف على التكلفة والطلبات والمنافسة والتمويل.

وقد يساعد انخفاض تكلفة الهيدروجين في تبني خلايا الوقود، بصرف النظر عن طريقة إنتاجه. إلا أن ذلك لا يضمن أرباحًا للشركة، ولا يثبت أن تقنيات الهلاميات الجديدة ستصل إلى السوق.

مرجع الدراسة:

^{1. Hagiwara, R., Yoshida, R., & Okeyoshi, K. (2024). Bioinspired hydrogels: polymeric designs towards artificial photosynthesis. Chemical Communications, 60, 13314–13324. https://doi.org/10.1039/D4CC04033C}