یک شاهکار ژاپنی؛ تولید سوخت پاک از نور و آب

این رآکتور با مساحت ۱۰۰ متر مربع، از صفحات فتوکاتالیست برای جداسازی اتم‌های اکسیژن و هیدروژن موجود در مولکول‌های آب استفاده می‌کند و درنتیجه هیدروژن را برای به‌کارگیری به‌عنوان سوخت بیرون می‌کشد.

اگرچه فناوری تازه هنوز در مراحل اولیه‌ی توسعه قرار دارد، پژوهشگران امیدوارند که با طراحی فتوکاتالیست‌های کارآمدتر، بتوان سوخت هیدروژن را با هزینه‌ای کمتر و به شکلی پایدار تولید کرد. یافته‌های این پژوهش در مجله Frontiers in Science منتشر شده است.

به نقل از زومیت، کازوناری دومن، استاد شیمی در دانشگاه شینشو ژاپن، در توضیح این دستاورد به لایوساینس می‌گوید: «تجزیه آب با استفاده از نور خورشید و فتوکاتالیست یکی از بهترین روش‌ها برای تبدیل و ذخیره انرژی خورشیدی به شکل شیمیایی است. اگرچه پیشرفت‌های اخیر در این حوزه امیدبخش بوده‌اند، هنوز چالش‌های بسیاری پیش روی ما قرار دارد.»

فتوکاتالیست‌ها نوعی کاتالیزور هستند که با قرارگیری در معرض نور، واکنش‌هایی شیمیایی را که باعث تجزیه‌ی مولکول‌های آب به هیدروژن و اکسیژن می‌شود، تسریع می‌کنند. اما اغلب فتوکاتالیست‌های کنونی که این فرآیند را به‌صورت «یک‌مرحله‌ای» انجام می‌دهند، بازدهی کمی دارند. به همین دلیل، تولید هیدروژن هنوز به‌شدت به گاز طبیعی به‌عنوان منبع فسیلی، وابسته است.

پژوهشگران برای غلبه بر محدودیت‌ها، در پروژه‌ی خود یک فتوکاتالیست جدید با فرآیند دو مرحله‌ای طراحی کردند. در مرحله اول، اکسیژن جدا و در مرحله بعدی، هیدروژن استخراج می‌شود. این طراحی به آن‌ها امکان داد رآکتوری بسازند که در طی سه سال به‌طور مداوم کار کرد. جالب این است که عملکرد رآکتور در نور طبیعی خورشید حتی بهتر از آزمایش‌های مبتنی‌بر نور فرابنفش بود.

تاکاشی هیساتومی، پژوهشگر در دانشگاه شینشو و نویسنده‌ی اصلی مطالعه می‌گوید: «با استفاده از فتوکاتالیستی که به نور فرابنفش حساس است، بازدهی تبدیل انرژی خورشیدی در نور طبیعی خورشید حدود ۱٫۵ برابر بیشتر شد.» او توضیح داد که نور استاندارد شبیه‌سازی‌شده در آزمایش‌ها از طیفی استفاده می‌کند که برای عرض‌های جغرافیایی بالاتر مناسب است. بااین‌حال، در مناطقی که نور خورشید طول‌موج‌های کوتاه‌تری دارد، بازدهی سیستم می‌تواند حتی بیشتر باشد.

با وجود پیشرفت‌ها، بازدهی فعلی فناوری هنوز برای کاربردهای تجاری کافی نیست. هیساتومی تأکید می‌کند: «بازدهی این فرآیند در نور استاندارد شبیه‌سازی‌شده، حداکثر یک درصد است و در نور طبیعی خورشید حتی به پنج درصد هم نمی‌رسد.»

پژوهشگران برای افزایش بازدهی، از دانشمندان دیگر درخواست کرده‌اند که روی طراحی فتوکاتالیست‌های بهینه‌تر و ساخت رآکتورهای بزرگ‌تر کار کنند. همچنین، ایمنی فرآیند نیز بسیار مهم است؛ زیرا تولید هیدروژن می‌تواند گاز اکسی‌هیدروژن ایجاد کند که خاصیت انفجاری دارد. خوشبختانه، فرآیند دو مرحله‌ای به‌کاررفته در فناوری جدید امکان دفع ایمن این گاز را فراهم می‌کند.

کازوناری دومن در پایان افزود: «آنچه بیش از همه اهمیت دارد، افزایش بازدهی تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی شیمیایی است. اگر بازدهی به سطح عملی ارتقا یابد، توجه پژوهشگران به تولید انبوه، جداسازی گازها و ساخت نیروگاه‌های بزرگ جلب خواهد شد. این پیشرفت نه‌تنها نگاه سیاست‌گذاران به انرژی خورشیدی را تغییر می‌دهد، بلکه زیرساخت‌ها، قوانین و مقررات مرتبط با سوخت‌های خورشیدی را نیز با سرعت بیشتری توسعه خواهد داد.»