هل يمكن للتركيب الضوئي الاصطناعي أن يفتح باب اقتصاد الهيدروجين؟

استبدال التركيب الضوئي الطبيعي

Directly or indirectly, a massive amount of the energy we use has been produced through photosynthesis. This is of course true of the calories powering our bodies, but ultimately also of fossil fuels, which are just “stored” photosynthesis from plants that died eons ago.

لذلك، تم تكريس العديد من الجهود إما لتحسين التركيب الضوئي الطبيعي أو استغلاله في استخدامات جديدة، مثل إنشاء الوقود الحيوي من الطحالب. بناء ه على نطاق واسع قد يكون حاسماً في الحد من ارتفاع تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي.

لكن ماذا لو استطعنا تقليد عملية التركيب الضوئي دون الحاجة إلى التعامل مع الكائنات الحية؟ فهي في النهاية عملية كيميائية كهربائية لا تتطلب بالضرورة وجود خلايا حية لتحدث. هذا هو وعد ما يُسمى بـ “التركيب الضوئي الاصطناعي”.

سوف يرفع قدرتنا على التقاط طاقة الشمس خطوةً فوق الخلايا الضوئية، التي يمكنها فقط توليد الكهرباء من ضوء الشمس ولكن لا تؤثر مباشرةً على التفاعلات الكيميائية.

قد يكون ثلاثة باحثين في المعهد المتقدم للعلوم والتكنولوجيا في اليابان (JAIST) وجامعة طوكيو قد قربوا هذه التقنية خطوةً من الواقع. في ورقة نُشرت في مجلة Chemical Communications تحت عنوان “Bioinspired hydrogels: polymeric designs towards artificial photosynthesis¹“.

كيف يعمل التركيب الضوئي؟

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

المصدر: Britannica

مع ذلك، يبدو أن ذلك يمكن اختزاله إلى معادلة كيميائية بسيطة للغاية ويمكن تكرارها بسهولة بصورة اصطناعية.

المصدر: Britannica

القصة تختلف عندما ننظر إلى كيفية حدوث ذلك. فالتركيب الضوئي النباتي هو في الواقع أحد أكثر الآلات البيوكيميائية تعقيدًا، مع عشرات التفاعلات الوسيطة، وعدد هائل من المكونات الفرعية، وأحيانًا آليات جزيئية غير مفهومة جيدًا تشمل حركات إلكترونية معقدة.

The synthetic explanation of this topic in the Britannica encyclopedia is no less than 10,000 words. Scientists studying it have to deal with rather more complex schematics to start having an overview of photosynthesis:

المصدر: Lumen Learning

بينما يُستخدم في الطبيعة أساسًا لإنشاء الكربوهيدرات، يمكن نظريًا استخدام التركيب الضوئي للعديد من التطبيقات الأخرى باستخدام الضوء كمصدر للطاقة، مثلًا تركيب الهيدروجين من الماء (التحفيز الضوئي).

الهلاميات المستوحاة من الطبيعة لإنتاج الهيدروجين

إحدى خطوات التركيب الضوئي الطبيعي هي انقسام الماء إلى أكسجين وذرتين من H+. يبدو أن تكرار هذه الخطوة فقط سيكون أسهل من محاولة محاكاة العملية بأكملها. هذا ما عمل عليه الباحثون اليابانيون، باستخدام الهلاميات.

المصدر: Chemical Communications

استخدموا جزيئات وظيفية، مثل مركبات الروثينيوم وجسيمات البلاتين النانوية، التي تعمل معًا لمحاكاة العملية الطبيعية للتركيب الضوئي وتُعرف بأنها محفزات ضوئية قوية. الابتكار يكمن في طريقة تنظيم هذه الجسيمات:

“ما يميز هذا هو طريقة تنظيم الجزيئات داخل الهلام. من خلال إنشاء بيئة منظمة، جعلنا عملية تحويل الطاقة أكثر كفاءة بكثير.”

ريينا هاجيوارا – طالبة دكتوراه في JAIST

المصدر: Chemical Communications

كفاءة محسّنة

تحسين رئيسي آخر لاستخدام الهلام مقارنة بالطرق السابقة هو أنه يمنع تجمّع الجسيمات المعدنية، مما يقلل من فعالية العملية.

“التحدي الأكبر كان معرفة كيفية ترتيب هذه الجزيئات بحيث يمكنها نقل الإلكترونات بسلاسة. باستخدام شبكة بوليمرية، تمكنا من منع تكتلها، وهو مشكلة شائعة في أنظمة التركيب الضوئي الاصطناعي.”

كوسوكي أوكيشي – أستاذ مشارك في JAIST

النتيجة النهائية كانت تحفيزًا ضوئيًا أكثر كفاءة، ينتج هيدروجينًا أكثر من التقنيات القديمة.

المصدر: Chemical Communications

هلام يلتقط الضوء

عامل آخر في تحسين الكفاءة هو أن الهلام يحجز الضوء فعليًا، مما يزيد من فرصه في تشغيل التفاعل الكيميائي المطلوب.

تم تحسين صُنع الميكروهلام بعناية لإنشاء أقطار أصغر من طول موجة الضوء المرئي. وهذا سمح أيضًا بدمج جسيمات البلاتين والروثينيوم الدقيقة في الهلام في شبكة منظمة.

المصدر: Chemical Communications

ما هو المفتاح لثورة الهيدروجين؟

لقد اعتُبر الهيدروجين، أو الأمونيا المصنوعة من الهيدروجين، لفترة طويلة وقودًا مثاليًا محتملًا لتشغيل العالم بالطاقة الخضراء.

بكونه في شكل كيميائي بدلاً من كهربائي، يمكن للهيدروجين تخزين الطاقة الخضراء لفترة أطول بكثير وأن يكون بديلاً أفضل للوقود الأحفوري من البطاريات في التطبيقات الرئيسية مثل الشحن أو الصناعات الثقيلة.

المشكلة هي أن إنتاج الهيدروجين عبر التحليل الكهربائي عملية مستهلكة للطاقة إلى حد كبير وغير فعّالة إلى حد ما. وهذا يؤدي إلى هدر معظم الطاقة الخضراء المستخدمة لإنتاج الهيدروجين، مما يضر بجدوى الفكرة الاقتصادية.

تكمن مشكلة الكفاءة في الهيدروجين الأخضر أساسًا في أن المفهوم الحالي يتطلب خطوات كثيرة جدًا: الضوء → التيار المستمر → التحليل الكهربائي → توليد الهيدروجين. كل خطوة إضافية تقلل الكفاءة وتضيف تكاليف رأس مال وموارد إضافية للآلات المعنية.

يزداد الأمر سوءًا إذا كان التيار المستمر يحتاج إلى تحويله إلى تيار متناوب ونقله عبر الشبكة من مزارع الطاقة الشمسية إلى موقع تصنيع الهيدروجين.

سيسمح التحفيز الضوئي المباشر بتحويله إلى “ضوء → توليد الهيدروجين” دون أي خطوات وسيطة.

الخطوات التالية

بوليمرات أفضل

تُظهر هذه النشرة أن شبكة منظمة بعناية من الجسيمات التحفيزية الضوئية يمكن أن تكون عامل تغيير في إنتاج الهيدروجين. قد يكون الهلام المستخدم هنا مجرد خطوة أولية.

يتوقع الباحثون أن يتم تصميم شبكات بوليمرية أكثر تقدمًا. قد يشمل ذلك تثبيت المكونات التحفيزية ليس فقط كجسيمات صغيرة بل كسلاسل جزيئية طويلة ورفيعة، مما يزيد من سطح التلامس وقدرة التقاط الضوء. كما أن الاستخدام المستقبلي للجزيئات الفائقة الطبيعية، مثل الأنابيب الدقيقة/الميكروأنابيب، ممكن أيضًا.

أكثر من الهيدروجين

ركزت الدراسة على توليد الهيدروجين، لكن هذا ليس بالتأكيد التفاعل الكيميائي الوحيد الذي يمكن أن يُحفّز بالضوء الشمسي.

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

تعتمد العديد من طرق توليد الهيدروجين على انقسام جزيئات الماء باستخدام البلاتين أو معادن نادرة أخرى من نفس عائلة الروثينيوم. ويمكن أن يكون هذا أحد الحجج للإستثمار في البلاتين، إلى جانب تزايد شعبية 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 توليد الهيدروجين عبر انقسام الماء باستخدام شظايا مدمجة.

ربما يمكن دمج هذه التطورات في بدائل البلاتين مع الهلام والتحفيز الضوئي المذكورين أعلاه، لإنشاء طريقة إنتاج هيدروجين منخفضة التكلفة للغاية باستخدام معدن رخيص، بوليمرات، وضوء الشمس فقط.

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.

نظرًا لاعتماد العديد من طرق إنتاج الهيدروجين على البلاتين، يمكن أن يكون هذا خيارًا: فمن الممكن فعليًا شراء البلاتين مباشرةً للاستثمار في شكل معدن مادي، حيث يقدم معظم بائعي السبائك الثمينة عملات وسبائك من البلاتين. كما أن مجوهرات البلاتين تُعد خيارًا أيضًا.

يمكن أيضًا الوصول إلى مخزون البلاتين المادي المتداول من خلال 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.

إذا لم تكن مهتمًا باختيار شركات محددة متعلقة بالهيدروجين، يمكنك أيضًا النظر في الصناديق المتداولة مثل صندوق VanEck للمعادن الأرضية النادرة والمعادن الاستراتيجية (REMX) للجانب المتعلق بالبلاتين، أو الصناديق المتداولة التي تركز على الهيدروجين مثل صندوق Global X Hydrogen ETF (HGEN) أو صندوق VanEck Hydrogen Economy UCITS (HDRO) الذي سيوفر تعرضًا أكثر تنوعًا للاستفادة من إمكانات الهيدروجين كمصدر للطاقة.

شركة الهيدروجين

(BLDP )

Ballard هي شركة تصنيع خلايا الوقود، ورائدة في التقنية مع أول حافلة خلية وقود لها في عام 1993.

تركز الشركة على أسواق المعدات الثقيلة: الحافلات، الشاحنات، القطارات/الترام، السفن، التعدين/البناء، والطاقة. بينما كانت الحافلات هي جوهر الأعمال، تتوقع الشركة أنه بحلول عام 2025 ستصبح الشاحنات قطاعًا تجاريًا رئيسيًا. كما تتوقع أن تظل أوروبا السوق الرئيسية لها (50-60٪)، تليها أمريكا الشمالية (25٪).

من المتوقع أن تستمر خلايا الوقود للشاحنات في النمو وتمثل سوقًا بقيمة 7.5 مليار دولار في عام 2030 (من إجمالي سوق بقيمة 195 مليار دولار)، وهو ما يقارب حجم جميع تطبيقات الهيدروجين/خلايا الوقود الأخرى مجتمعة.

المصدر: Ballard

نظرًا للقدرة العالية المطلوبة والحاجة إلى شحن سريع، كانت المركبات الثقيلة خيارًا جيدًا للهيدروجين وخلايا الوقود مقارنة بالمركبات الخفيفة مثل السيارات.

كما يقلل ذلك من الحاجة إلى أسلاك القطار للسكك الحديدية وإعادة الشحن السريعة للنقل لمسافات طويلة.

المصدر: Ballard

الشركة ليست غريبة عن الأمونيا أيضًا، فمثلاً لديها عقد حديث مع Amogy لتزويدها بخلايا الوقود لمنصتها “من الأمونيا إلى الطاقة” التي تعتمد على تقنية فريدة لتكسير الأمونيا.

بينما تمتلك السيارات الكهربائية فرصة معقولة للسيطرة بسرعة على أسواق السيارات، فإن المركبات الأثقل أصعب في خفض انبعاثاتها الكربونية.

مع قيادتها الراسخة في القطاع، ستكون Ballard مستفيدًا رئيسيًا من دفع السياسات نحو اقتصاد الهيدروجين.

التركيز على خلايا الوقود يتيح أيضًا للشركة الاستفادة من أي خفض للتكاليف في تقنية توليد الهيدروجين، بغض النظر عن الطريقة، سواءً بالبلاتين أو بدونه، ومع أو بدون التحفيز الضوئي.

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}