باحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا يكتشفون طاقة نظيفة ووفيرة ومتجددة ومنخفضة التكلفة... طاقة لا نهائية. هل يمكن أن تكون هذه هي الحل "الذهبي" لاحتياجاتنا الهائلة من الطاقة في المستقبل؟

اعجاب
أحب

التاريخ:

العقدة: 4067705

إن توليد الكهرباء النظيفة يوفر فرصاً عديدة إلى الحد الذي يجعل من المستحيل أن نذكرها جميعاً. فمن القيام بذلك في قاع البحر (كما في نيويورك) إلى فوق أسطح المباني (كما في كاليفورنيا)، وجدنا خيارات عديدة. ولكن أحدها نجح للتو في جذب اهتمام المجتمع الدولي بأسره. صخور بيضاء مرقطة بالطاقة الهيدروجينية المحاصرة والمتجددة بنسبة 100% والنظيفة. (الهيدروجين الجيولوجي) يمكن أن توفر "مصدر الطاقة اللانهائي"، والتي يمكن أن تكون بمثابة "التذكرة الذهبية" لتلبية احتياجاتنا الهائلة من الطاقة في المستقبل.

صخور ذات طاقة لا نهائية؟ ربما لا تحتاج أميركا إلى الطاقة الكهروضوئية، فلدينا شيء أفضل بكثير

"نهدف إلى تحسين معلمات التفاعل لجعل التفاعل أسرع وإنتاج الهيدروجين بطريقة مجدية اقتصاديًا." - البروفيسور إيونتيم أباتي: معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا

من المعتقد على نطاق واسع أن العنصر الأكثر وفرة في الكون، وهو الهيدروجين، يوجد بشكل أساسي إلى جانب عناصر أخرى ــ مع الأكسجين في الماء، على سبيل المثال، ومع الكربون في الميثان. ولكن الجيوب الطبيعية تحت الأرض من الهيدروجين النقي تخرق هذه الفكرة ــ وتثير الانتباه كمصدر غير محدود محتمل للطاقة الخالية من الكربون.
 
ومن بين الأطراف المهتمة وزارة الطاقة الأميركية، التي أعلنت الشهر الماضي منحت منظمة الأمم المتحدة للطفولة (يونيسيف) 20 مليون دولار أمريكي كمنح بحثية لـ 18 فريقًا من المختبرات والجامعات والشركات الخاصة لتطوير تقنيات يمكن أن تؤدي إلى الحصول على وقود رخيص ونظيف من باطن الأرض.
 
يتم إنتاج الهيدروجين الجيولوجي، كما يُعرف، عندما يتفاعل الماء مع الصخور الغنية بالحديد، مما يتسبب في أكسدة الحديد. ستستخدم إحدى الجهات الحاصلة على المنحة، وهي مجموعة أبحاث الأستاذ المساعد في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا إوينتيم أباتي، منحة قدرها 1.3 مليون دولار لتحديد الظروف المثالية لإنتاج الهيدروجين تحت الأرض - مع مراعاة عوامل مثل المحفزات لبدء التفاعل الكيميائي ودرجة الحرارة والضغط ومستويات الأس الهيدروجيني. والهدف هو تحسين الكفاءة للإنتاج على نطاق واسع، وتلبية احتياجات الطاقة العالمية بتكلفة تنافسية.
 
وتشير تقديرات هيئة المسح الجيولوجي الأميركية إلى وجود مليارات الأطنان من الهيدروجين الجيولوجي مدفونة في قشرة الأرض. وقد تم اكتشاف تراكمات من هذا الهيدروجين في مختلف أنحاء العالم، وتبحث مجموعة من الشركات الناشئة عن رواسب قابلة للاستخراج. وتسعى شركة أباتي إلى تحفيز عملية إنتاج الهيدروجين الطبيعي، من خلال تنفيذ نهج "استباقي" يتضمن تحفيز الإنتاج وحصاد الغاز.
                                                                                                                         
يقول أباتي، أستاذ تطوير تشيبمان في قسم علوم وهندسة المواد (DMSE): "نهدف إلى تحسين معلمات التفاعل لجعل التفاعل أسرع وإنتاج الهيدروجين بطريقة مجدية اقتصاديًا". تركز أبحاث أباتي على تصميم المواد والتقنيات للتحول إلى الطاقة المتجددة، بما في ذلك بطاريات الجيل التالي والطرق الكيميائية الجديدة لتخزين الطاقة. 

إشعال شرارة الابتكار

يتزايد الاهتمام بالهيدروجين الجيولوجي في وقت تسعى فيه الحكومات في جميع أنحاء العالم إلى إيجاد بدائل للطاقة خالية من الكربون بدلاً من النفط والغاز. في ديسمبر/كانون الأول، قال الرئيس الفرنسي إيمانويل ماكرون إن حكومته ستواصل العمل على تطوير الهيدروجين. توفير التمويل لاستكشاف الهيدروجين الطبيعي. وفي فبراير، تشهد الحكومة والقطاع الخاص أطلع المشرعين الأميركيين حول فرص استخراج الهيدروجين من الأرض.
 
اليوم يتم تصنيع الهيدروجين التجاري في 2 دولار للكيلوغرام "في الغالب لإنتاج الأسمدة والمواد الكيميائية والصلب، ولكن معظم الطرق تنطوي على حرق الوقود الأحفوري، مما يؤدي إلى إطلاق الكربون الذي يعمل على تسخين الأرض."الهيدروجين الأخضر"إن إنتاجها باستخدام الطاقة المتجددة يعد أمراً واعداً، لكن بسعر 7 دولارات للكيلوغرام، فهو باهظ الثمن.
 
"ومع ذلك، إذا حصلت على الهيدروجين بسعر دولار واحد للكيلوغرام، فإنه يصبح تنافسيًا مع الغاز الطبيعي يقول دوغلاس ويكس، مدير البرامج في وكالة مشاريع الأبحاث المتقدمة في مجال الطاقة (ARPA-E)، وهي المنظمة التابعة لوزارة الطاقة التي تقود برنامج المنح الجيولوجية للهيدروجين: "إننا نعمل على أساس أسعار الطاقة".
 
المستلمون من منح ARPA-E تتضمن مدرسة كولورادو للمناجم جامعة تكساس للتكنولوجيا، ومختبر لوس ألاموس الوطني، بالإضافة إلى شركات خاصة بما في ذلك كولوما، وهي شركة ناشئة لإنتاج الهيدروجين تلقت تمويلاً من أمازون وبيل جيتس. المشاريع نفسها متنوعة، تتراوح من تطبيق أساليب النفط والغاز الصناعية لإنتاج واستخراج الهيدروجين إلى تطوير نماذج لفهم تكوين الهيدروجين في الصخور. والغرض: معالجة الأسئلة في ما يسميه ويكس "المساحة البيضاء الكاملة".

أمثلة على أهداف البحث

تطوير المحفز:تعمل الفرق على إنشاء خليط يتكون من الماء كمكون أساسي؛ ويقوم الفريق بتجريب العديد من المحفزات التي يمكن أن تعمل على تسريع تفاعل توليد الهيدروجين.

نظام عالي الإنتاجيةيخطط العلماء لإنشاء نظام ذكي باستخدام الروبوتات يسمح بمقارنة تركيبات مختلفة من المحفزات ونمذجة تأثيرها على الصخور القادمة من مناطق مختلفة.

تحسين المعلمة:من المقرر دراسة إنتاج الهيدروجين وكفاءة الكائنات الحية الدقيقة المختلفة بهدف تحديد أفضل الظروف لإنتاج الهيدروجين - درجة الحرارة والضغط والرقم الهيدروجيني.

يقول ويكس: "فيما يتعلق بالهيدروجين الجيولوجي، لا نعرف بعد كيف يمكننا تسريع إنتاجه، لأنه عبارة عن تفاعل كيميائي، ولا نفهم حقًا كيفية هندسة باطن الأرض حتى نتمكن من استخراجه بأمان. نحاول جلب أفضل المهارات من كل مجموعة مختلفة للعمل على هذا تحت فكرة أن المجموعة يجب أن تكون قادرة على إعطائنا إجابات جيدة في إطار زمني سريع إلى حد ما".
 
ويتفق عالم الكيمياء الجيولوجية فياتشيسلاف زغونيك، أحد أبرز الخبراء في مجال الهيدروجين الطبيعي، على أن قائمة المجهول طويلة، كما هي الحال بالنسبة للطريق إلى المشاريع التجارية الأولى. ولكنه يقول إن الجهود المبذولة لتحفيز إنتاج الهيدروجين ــ لتسخير التفاعل الطبيعي بين الماء والصخور ــ تقدم "إمكانات هائلة".
 
يقول زغونيك، الرئيس التنفيذي ومؤسس شركة Natural Hydrogen Energy، وهي شركة ناشئة مقرها دنفر ولديها عقود إيجار معدنية للحفر الاستكشافي في الولايات المتحدة: "الفكرة هي إيجاد طرق يمكننا من خلالها تسريع هذا التفاعل والتحكم فيه حتى نتمكن من إنتاج الهيدروجين عند الطلب في أماكن محددة. إذا تمكنا من تحقيق هذا الهدف، فهذا يعني أنه يمكننا استبدال الوقود الأحفوري بالهيدروجين المحفز".

"لحظة اكتمال الدائرة"

بالنسبة لأباتي، فإن ارتباطه بالمشروع شخصي. فعندما كان طفلاً في مسقط رأسه في إثيوبيا، كانت انقطاعات التيار الكهربائي أمرًا معتادًا ــ كانت الأضواء تنطفئ ثلاثة أو ربما أربعة أيام في الأسبوع. وكانت الشموع المتوهجة أو مصابيح الكيروسين التي تنبعث منها الملوثات غالبًا المصدر الوحيد للضوء لأداء الواجبات المنزلية في الليل.
 
"وفيما يتعلق بالأعمال المنزلية، كان علينا استخدام الخشب والفحم في بعض الأعمال المنزلية مثل الطهي"، كما يقول أباتي. "كانت هذه قصتي حتى نهاية المدرسة الثانوية وقبل أن آتي إلى الولايات المتحدة للدراسة الجامعية".
 
في عام 1987، يقوم حفارو الآبار بحفر آبار المياه في مالي في غرب أفريقيا تم اكتشاف رواسب هيدروجينية طبيعيةوبعد عقود من الزمان، قام رجل الأعمال المالي عليو ديالو وشركته الكندية للنفط والغاز باستغلال البئر واستخدموا محركًا لحرق الهيدروجين وتوليد الكهرباء في القرية المجاورة.
 
وبعد التخلي عن النفط والغاز، أطلق ديالو شركة هيدروما، أول شركة في العالم لاستكشاف الهيدروجين. وتقوم الشركة بحفر آبار بالقرب من الموقع الأصلي والتي أسفرت عن تركيزات عالية من الغاز.
 
يقول أباتي: "إن القارة التي كانت تُعرف في الماضي بأنها قارة فقيرة بالطاقة أصبحت الآن تولد الأمل في مستقبل العالم. لقد كان التعرف على ذلك بمثابة لحظة اكتمال الدائرة بالنسبة لي. بطبيعة الحال، المشكلة عالمية؛ والحل عالمي. ولكن الارتباط برحلتي الشخصية، بالإضافة إلى الحل القادم من قارتي الأم، يجعلني مرتبطًا شخصيًا بالمشكلة والحل".

التجارب التي يمكن قياسها

ويعمل أباتي والباحثون في مختبره على صياغة وصفة لسائل من شأنه أن يحفز التفاعل الكيميائي الذي يحفز إنتاج الهيدروجين في الصخور. والمكون الرئيسي هو الماء، ويقوم الفريق باختبار مواد "بسيطة" للحصول على محفزات من شأنها تسريع التفاعل وبالتالي زيادة كمية الهيدروجين المنتجة، كما يقول الباحث في مرحلة ما بعد الدكتوراه ييفان جاو.
 
يقول جاو: "بعض المحفزات مكلفة للغاية ويصعب إنتاجها، وتتطلب إنتاجًا أو تحضيرًا معقدًا. إن المحفز غير المكلف والوفير سيسمح لنا بتعزيز معدل الإنتاج - بهذه الطريقة، ننتجه بمعدل مجدٍ اقتصاديًا، ولكن أيضًا بعائد مجدٍ اقتصاديًا".
 
يمكن العثور على الصخور الغنية بالحديد التي يحدث فيها التفاعل الكيميائي في جميع أنحاء الولايات المتحدة والعالم. لتحسين التفاعل عبر مجموعة متنوعة من التركيبات والبيئات الجيولوجية، يعمل أباتي وغاو على تطوير ما يسمونه نظامًا عالي الإنتاجية، يتكون من برمجيات الذكاء الاصطناعي والروبوتات، لاختبار مخاليط محفزات مختلفة ومحاكاة ما قد يحدث عند تطبيقه على الصخور من مناطق مختلفة، مع ظروف خارجية مختلفة مثل درجة الحرارة والضغط.
 
"ومن هذا نقيس كمية الهيدروجين التي ننتجها لكل تركيبة ممكنة"، كما يقول أباتي. "ثم يتعلم الذكاء الاصطناعي من التجارب ويقترح علينا، "بناءً على ما تعلمته وبناءً على الأدبيات، أقترح عليك اختبار تركيبة مادة المحفز لهذه الصخرة".
 
ويقوم الفريق بكتابة ورقة بحثية حول مشروعه ويهدف إلى نشر نتائجه في الأشهر المقبلة.
 
وتتمثل المرحلة التالية للمشروع، بعد تطوير وصفة المحفز، في تصميم مفاعل يخدم غرضين. أولاً، من خلال تزويده بتقنيات مثل مطيافية رامان، سيتمكن الباحثون من تحديد وتحسين الظروف الكيميائية التي تؤدي إلى تحسين معدلات وإنتاجية إنتاج الهيدروجين. كما سيوفر الجهاز الذي يعمل على نطاق المختبر معلومات لتصميم مفاعل حقيقي يمكنه تسريع إنتاج الهيدروجين في الحقل.
 
ويقول أباتي: "سيكون هذا مفاعلًا بحجم المحطة النووية، وسيتم زرعه في باطن الأرض".
 
ويستفيد المشروع المتعدد التخصصات أيضًا من خبرة يانج شاو هورن، من قسم الهندسة الميكانيكية وقسم علوم المواد والهندسة الكيميائية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، في التحليل الحسابي للمحفز، وإستيبان جازيل، وهو عالم من جامعة كورنيل سيقدم خبرته في الجيولوجيا والكيمياء الجيولوجية. وسيركز على فهم التكوينات الصخرية فوق المافية الغنية بالحديد في جميع أنحاء الولايات المتحدة والعالم وكيفية تفاعلها مع الماء.
 
بالنسبة إلى ويكس في وكالة مشاريع الأبحاث المتقدمة للطاقة، فإن الأسئلة التي يطرحها أباتي والحاصلون الآخرون على المنح ليست سوى الخطوات الأولى الحاسمة في مجال الطاقة المجهول.
 
ويقول: "إذا تمكنا من فهم كيفية تحفيز هذه الصخور لتوليد الهيدروجين، واستخراجه بأمان، فإن هذا من شأنه أن يطلق العنان لمصدر الطاقة المحتمل". ثم ستتطلع الصناعة الناشئة إلى النفط والغاز للحصول على المعرفة اللازمة للحفر والأنابيب واستخراج الغاز. "كما أحب أن أقول، فإن هذه التكنولوجيا التمكينية التي نأمل أن تمكننا في الأمد القريب جدًا من القول، "هل يوجد شيء هناك حقًا؟"

يتولد الهيدروجين الطبيعي، وخاصة الهيدروجين الأبيض، من تفاعل الماء مع الصخور المحتوية على الحديد؛ حيث يتآكل الحديد ليطلق الهيدروجين. ويحدث ذلك في قشرة الأرض، مما يسمح بتكوين فقاعات هيدروجين نقية لم يتم البحث فيها من قبل (وهو أمر مشابه للمشروع في ألبانيا، كما تعلمون بالفعل).

وقد تم تقدير الموارد الأخرى، مثل المياه، من قبل المسح الجيولوجي الامريكية إن احتمالات احتواء الأرض على مليارات الأطنان من الهيدروجين الجيولوجي المحبوس داخل قشرة الأرض كبيرة للغاية. وقد اجتذب هذا التوافر، إلى جانب احتمالات تحول الهيدروجين إلى ناقل للطاقة النظيفة، اهتمام الباحثين وكذلك الحكومات في مختلف أنحاء العالم.

إذن... هل هو أزرق؟ هل هو أخضر؟ لقد اخترعت أمريكا لونًا هيدروجينيًا جديدًا، وهو رخيص للغاية

فيما يتعلق بالطرق المختلفة لإنتاج الهيدروجين، فإن كل منها يقع ضمن فئة لونية معينة بناءً على مستوى التأثير البيئي وكيفية إنتاج الهيدروجين. ومع ذلك، يُوصف الهيدروجين الجيولوجي أحيانًا بأنه "أبيض" أو "ذهبي" الهيدروجين على أساس مصدره وآفاقه كمصدر للوقود الأخضر.

في حين يتم استخلاص الهيدروجين "الرمادي" من الغاز الطبيعي أو الفحم ويتم الحصول عليه "الأخضر" عن طريق التحليل الكهربائي للماء باستخدام الطاقة الكهربائية من مصادر متجددة، فإن الهيدروجين "الأبيض" لا يحتاج إلى الكثير من المعالجة، وقد يكون أقل كثافة من حيث الكربون. وهذا التصنيف يجعله مناسبًا للإشارة إليه كمصدر للطاقة المستدامة.

وجود ال أبيض الهيدروجين في الصخور في أمريكا لقد كان هذا الأمر متوقعاً منذ سنوات عديدة، ولكن لم يتمكن أحد من العثور على مصدر مستقر وقوي بما يكفي لتبرير تخصيص ملايين الدولارات لتمويله. ولكن هذه المرة ربما نجحنا في تحقيق هذا الهدف، وكل شيء يشير إلى أن هذا المشروع سيصبح "التذكرة الذهبية للطاقة في المستقبل".

مقالات ذات صلة

بقعة_صورة

المقالات الأخيرة

بقعة_صورة