كيف ألهمت حروق الشمس طريقة جديدة لتخزين الطاقة

الشمس تشرق أحيانًا في بوسطن – لكن ليس بهذه الطريقة.

عندما زارت أستاذة الكيمياء غريس هان جنوب كاليفورنيا لأول مرة من بوسطن قبل سنوات، لاحظت الفرق. كيف كانت بشرتها تشعر بخدر عند أول علامات التهيج بعد بضع ساعات فقط في الهواء الطلق.

في العام الماضي، انتقلت لشغل وظيفة في جامعة كاليفورنيا، سانتا باربارا، وبدأت بانتظام بارتداء قبعة ذات حافة واسعة، ونظارات شمسية، وكمية كبيرة من كريم الوقاية من الشمس. وبكونها أستاذة كيمياء، كانت قد أجرت بالفعل بحثها.

"كنت أقرأ فقط عن كيمياء الضوء للحمض النووي – للترفيه،" تذكر.

وهنا أدركت أن جزيئات الحمض النووي في بشرة الناس التي تتضرر من حروق الشمس يمكن أن تساعدها. هذه الجزيئات تتغير شكلها عندما تتعرض للإشعاع الشمسي، فتنحني إلى نسخة مشوهة من شكلها العادي.

لعقود، سعى العلماء وراء جزيئات يمكنها تغيير شكلها، وتخزين الطاقة في العملية، ثم تحفيزها للعودة إلى شكلها الأصلي، وإطلاق الطاقة المخزنة عند الطلب.

مثل تثبيت فخ الفأر ثم تفعيله لاحقًا. يُعرف هذا باسم تخزين الطاقة الشمسية الجزيئية (MOST)، وهو طريقة محتملة جدًا رخيصة وخالية من الانبعاثات لتوفير الحرارة. يمكن لهذه الأنظمة MOST تخزين الطاقة لشهور عديدة أو حتى سنوات.

كان للباحثين نجاح محدود سابقًا مع هذه التقنية، لكن بفضل شمس كاليفورنيا، عرفت هان ما يجب تجربته بعد ذلك.

من المهم تفعيل تغيير شكل الجزيئات المخزنة للطاقة بطريقة سلسة وقابلة للتكرار.

لحسن الحظ، طورت ملايين السنين من التطور هذه العملية تمامًا عندما تحدث في بشرتنا – نحن جميعًا مختبرات كيميائية حية، بمعنى ما. تطورت جزيئات الحمض النووي في بشرتنا بحيث يمكنها إصلاح شكلها المشوه من الشمس بمساعدة إنزيم يُسمى فيتولايز.

وهذه الجزيئات، أدركت هان، كانت مرشحات مثالية لنظام تخزين الطاقة. "إنها صغيرة جدًا جدًا،" تشرح. "ويمكنها تخزين كمية هائلة من الطاقة لكل وحدة كتلة."

في ورقة نُشرت في فبراير، وصفت هي وزملاؤها أكثر أنظمة تخزين الطاقة واعدة من هذا النوع حتى الآن، على الأقل من حيث كثافة الطاقة. كانت قوية بما يكفي لتسبب "غلاية صغيرة جدًا" في أنبوب اختبار في غلي كمية صغيرة من الماء بسرعة، كما تقول هان.

طلابها، الذين أجريوا هذا الجزء من الدراسة، سارعوا لإخبارها كيف سارت الأمور. "عندما رأيت الفيديو فعليًا ورأيت مدى سرعة غليان الحل بالكامل، كان ذلك مذهلًا حقًا،" تذكر هان.

وتشدد على أن التحليلات الحاسوبية التي تنبأت بكيفية أداء الجزيء، والتي أجرتها زميلتها كيندال هوك من جامعة كاليفورنيا، لوس أنجلوس، وفريقها، كانت حاسمة في هذا العمل.

زميلها في تجارب MOST، كاسبر موث-بولسن، الذي يقود فرق بحثية في الجامعة البوليتكنيكية في برشلونة بإسبانيا ومؤسسات أخرى، لم يشارك في الدراسة لكنه تأثر بالنتائج.

"أعتقد أن أفضل أنظمتنا كانت بمقدار واحد ميجا جول [من الطاقة لكل كيلوجرام]. كان لديهم، أعتقد، 1.6، وهو أمر مذهل حقًا،" يقول، مشيرًا إلى كثافة الطاقة التي حققتها هان وزملاؤها.

الـ1.65 ميجا جول لكل كيلوجرام المسجلة في ورقتهما في فبراير أكبر بكثير من كثافة الطاقة للبطاريات الليثيوم أيون، وهي حاليًا أكثر أنواع البطاريات شيوعًا للهواتف والسيارات الكهربائية.

لدين نظام MOST الذي ابتكرته هان وزملاؤها بعض القيود. لأسباب، طول موجة الضوء الذي يسبب تغيير شكل الجزيئات في قلب النظام هو 300 نانومتر – وهو شكل من "أشعة فوق بنفسجية شديدة القسوة،" كما يقول جون غريفيث من جامعة لانكستر. "هذا يأتي من الشمس إلينا لكن بكميات ضئيلة جدًا."

بالإضافة إلى ذلك، فإن المحفز المستخدم لعكس شكل الجزيء المشوه من أجل إطلاق طاقته هو حمض الهيدروكلوريك – مادة شديدة التآكل يجب تحييدها بعد الاستخدام. "ليس الخيار الأمثل،" تعترف هان.

وتقول إنها متفائلة بأنه سيكون من الممكن تحسين استجابة النظام للضوء الطبيعي، وكذلك تحفيز إطلاق الطاقة دون الحاجة إلى مادة كيميائية سامة.

الهدف النهائي لهذا النوع من العمل هو إزالة الكربون عن التدفئة، وهي عملية صعبة بشكل مشهور.

لا يزال العالم يعتمد إلى حد كبير على الوقود الأحفوري لتطبيقات التدفئة. أنظمة الطاقة الشمسية الجزيئية والوقود الأحفوري هي في الواقع كلاهما أشكال من تخزين الطاقة الكيميائية. لكن تقنية MOST "تعمل دون حرق أي شيء،" كما تؤكد موث-بولسن.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن توفير تقنية MOST في أي مكان على الأرض، على عكس الوقود الأحفوري الذي يتركز في بعض المواقع. هذا هو السبب في أن حظر مضيق هرمز تسبب في مشاكل كبيرة مؤخرًا، كما يشير. لا يمكن للوقود المنتج في هذا الجزء من العالم الوصول إلى حيث يحتاجه الناس.

يقول موث-بولسن إن نظام تخزين الطاقة MOST يمكنه أيضًا تخزين الطاقة على المدى الطويل، حتى لعقود عديدة. قد تستمر الطاقة الحرارية المخزنة على شكل حرارة لبضع ساعات أو أيام أو أشهر على الأكثر.

لكن هناك شيئًا آخر يجب مراعاته، كما يقول هاري هوستر، من جامعة دويسبرغ-إسن، وهو أيضًا المدير العلمي لمركز ZBT الألماني المركّز على الهيدروجين لتكنولوجيا خلايا الوقود.

يجب توزيع الجزيئات الحساسة للضوء في نظام MOST بشكل رقيق نسبيًا. إذا كانت كثيفة جدًا، فلن يتمكن الضوء من اختراق جميع الجزيئات داخلها بشكل كافٍ. "في أقصى سيناريو متفائل، يمكنك على الأرجح جعل هذا سمكه 5 ملم،" يقدّر هوستر.

وبالتغليف الجزيئات في سائل، فستحتاج على الأرجح إلى نقل أو ضخ هذا السائل من جزء إلى آخر من النظام، لتخزين الطاقة أو نقلها، على سبيل المثال. وهذا يضيف تكلفة وتعقيدًا. "في اللحظة التي تحتاج فيها إلى ضخ الأشياء، لديك المزيد من الأشياء التي يمكن أن تتلف،" يقول هوستر.

يقول غريفيث إنه هو وزملاؤه يعملون على إصدارات صلبة من تقنية MOST. هان، التي تبحث أيضًا في إصدارات صلبة من MOST، تقول إنه يمكن أن تتخذ شكل طلاءات نوافذ شفافة، على سبيل المثال. بهذه الطريقة، يمكنها إطلاق الحرارة لمنع التكاثف أو حتى تسخين الغرف.

لكن هوستر متشكك في أن MOST سيكون قادرًا على توفير كل الحرارة المطلوبة في مبنى. يمكنه، مع ذلك، تسخين مكونات حساسة للحرارة على الأقمار الصناعية أو الطائرات.

"إنه علم رائع،" يضيف. "من الجميل أنهم نجحوا في تحقيق هذه الوظيفة بشكل صحيح."

من المرجح أن تستمر الابتكارات والبحوث، لكن يستحق التذكير بأن هذا المجال لا يزال نادرًا نسبيًا حاليًا. حضر غريفيث مؤتمرًا العام الماضي عن تقنية MOST بحضور حوالي 70 مشاركًا، كما يتذكر. "كان هذا في الأساس المجتمع بأكمله في العالم الذي يعمل على هذا الأمر."