كيف يمكن للجسيمات النانوية التي تمتص الضوء أن تساعد على التخفيف من الانبعاثات الكربونية؟

شكل توضيحي للمفاعل الكيميائي الذي يعتمد على التحفيز الضوئي من سيزيجي.

شارك

استمع الى المقالة الآن هذه الخدمة تجريبية

يؤدي تصنيع المواد الكيميائية إلى إطلاق كميات هائلة من انبعاثات غازات الدفيئة، سواء بسبب الحرارة التي يتطلبها هذا الإنتاج أو بسبب النواتج الثانوية للتفاعلات نفسها. ولكن يمكن لتكنولوجيا مخبرية جديدة أن تساعد على تغيير هذه الأساليب الصناعية التقليدية.

تعمل شركة ناشئة متفرعة عن جامعة رايس على دراسة طريقة جديدة لإنتاج الهيدروجين وغيرها من المواد الكيميائية باستخدام الجسيمات النانوية التي تسمح بتحفيز التفاعلات عن طريق الضوء بدلاً من الحرارة. صرحت سيزيجي بلازمونيكس مؤخراً أنها جمعت 5.8 مليون دولار، وذلك في جولة تمويل شاركت في قيادتها شركة الاستثمار ذا إينجن التابعة لإم آي تي وجمعية جوس في تكساس.

ستستخدم هذه الشركة الناشئة -التي تعمل في هيوستن- التمويلَ من أجل بناء محطة تجريبية لإنتاج الهيدروجين. وتعتقد الشركة أن هذه التكنولوجيا يمكن أن تخفف من الانبعاثات التي تنشأ عادة عن هذه العملية بنسبة قد تصل إلى النصف.

تبلغ قيمة سوق الهيدروجين حالياً 130 مليار دولار، وهو يستخدم بشكل أساسي في تكرير النفط، والإنتاج الكيميائي، وتصنيع الفولاذ. ويعتقد الكثيرون أنه يحمل وعداً بحل مشكلة تخزين الطاقة، من أجل تزويد السيارات الكهربائية بالطاقة والحفاظ على توازن الشبكة الكهربائية.

ويُنتَج الهيدروجين بشكل أساسي من الغاز الطبيعي؛ وذلك عبر عملية تعرف باسم إصلاح البخار، حيث تعتمد على الحرارة والضغط والتحفيز الكيميائي لتحويل الغاز إلى هيدروجين، إضافة إلى مادة أخرى تمثل مصدر المشكلة، وهي ثنائي أكسيد الكربون. وبين هذا الناتج الثانوي والحرارة الناتجة عن الوقود الأحفوري، تطلق العملية أكثر من 800 مليون طن من ثنائي أكسيد الكربون سنوياً، أي ما يعادل الانبعاثات السنوية للمملكة المتحدة وإندونيسيا معاً، وفقاً لتقرير من الوكالة الدولية للطاقة.

ويعتقد مؤسسو سيزيجي أنهم يستطيعون حل نسبة كبيرة من المشكلة باستبدال المحفز الكيميائي بنوع جديد من المحفز الضوئي الذي طوّرته جامعة رايس وأعطت الرخصة باستخدامه.

درس الباحثون المحفزات الضوئية على مدى عقود كاملة، غير أنهم لم يستخدموها إلا في تطبيقات محدودة، مثل تنقية الماء والهواء؛ ويعود هذا جزئياً إلى أنها لم تثبت فعالية عالية في تحفيز التفاعلات الكيميائية.

غير أن كلاً من البروفسورين ناومي هالاس وبيتر نوردلاندر من جامعة رايس، وهما اثنان من مؤسسي الشركة، توصلا إلى طريقة لتوحيد ما يسمى بالجسيمات النانوية البلازمونية -وهي فئة واعدة من المحفزات الضوئية- مع المحفزات التقليدية. وفي بحث نُشر في 2016 في مجلة Proceedings of the National Academy of Sciences، وجد الباحثون أن هذه الطريقة الهجينة تؤمن معدلاً عالياً من امتصاص الضوء وتفاعلات فعالة، كما أنها قابلة للتعديل إلى درجة كبيرة من أجل تطبيقات محددة.

وتعتقد سيزيجي أن استخدام هذه الجسيمات النانوية الهجينة وبناء مفاعل مخصص سيسمح بتشغيل عملية إنتاج الهيدروجين بالاعتماد على الليدات، والتي يمكن أن تحصل على الكهرباء من طاقة الرياح أو طاقة الشمس أو الطاقة الكهرمائية. وسيؤدي هذا إلى إلغاء الحاجة إلى حرق الوقود الأحفوري لإنتاج البخار والحرارة الإضافية في العملية التقليدية، وهو ما يمثل نصف الانبعاثات الناتجة عنها.

ومن ناحية أخرى، لن تؤدي هذه الطريقة إلى معالجة انبعاثات ثنائي أكسيد الكربون الذي يظهر كناتج ثانوي للتفاعل، غير أن الشركة تلقت منحة من وزارة الطاقة الأميركية لدراسة أساليب لتحقيق هذا أيضاً. وتعتقد الشركة أنه يمكن استخدام محفزات ضوئية مماثلة لإنتاج نسخ أكثر نظافة من منتجات صناعية أخرى تُصنع باستخدام المحفزات، مثل الوقود الاصطناعي والأسمدة.

وتعتبر سيزيجي واحدة من الشركات الناشئة القليلة التي تركز على التلوث المناخي الصناعي، الذي يؤدي إلى أكثر من 20% من الانبعاثات الأميركية والعالمية. (يمكنك الاطلاع على مقالة: “هل يمكننا تخفيف النسبة الكبيرة لانبعاثات ثنائي أكسيد الكربون الناتجة عن الفولاذ؟“).

يقول الرئيس التنفيذي تريفور بيست إن الشركة تدرس أحد خيارين: إما بناء المفاعلات وبيعها بنفسها، أو ترخيص التكنولوجيا لشركة أخرى. ولكن حالياً، قامت الشركة فقط بتطوير نسخة مخبرية من هذا المنتج.