إعادة اختراع التمثيل الضوئي

على مدى عقود، كان تطوير الطاقة المتجددة ـــــ والمناقشات السياسية التي تحيط بها ــــ يركز إلى حد كبير على توليد الطاقة الكهربائية. ولكن ما يزيد على 60 في المائة من الطاقة في العالم توفره بشكل مباشر أشكال الوقود الكيماوية ''الوقود الأحفوري في الأساس''، في غياب أي تحويل وسيط للكهرباء. ولا يجوز لأي جهد واقعي لمكافحة الانحباس الحراري العالمي من خلال خفض الانبعاثات الكربونية أن يتجاهل هذا القيد الأساسي.
والواقع أن عديدا من التطبيقات التي تعتمد على الوقود الأحفوري ''مثل النقل الجوي أو إنتاج الألمونيوم'' في الولايات المتحدة وغيرها من البلدان الصناعية لا يمكن إعادة تشكيلها لاستخدام الطاقة الكهربائية. والوقود الأحفوري مطلوب، فضلاً عن ذلك لإنتاج الطاقة الكهربائية أيضا، سواء لتلبية الطلب أو التعويض عن الطبيعة المتقطعة لأنظمة الطاقة المتجددة مثل الرياح أو الطاقة الشمسية. ولكن هل يوجد حقاً بديل منخفض الكربون قابل للتطوير والتوسع؟
هناك نهج واعد يقوم على التمثيل الضوئي الاصطناعي، الذي يستخدم مواد غير بيولوجية لإنتاج الوقود من ضوء الشمس بشكل مباشر. إن الشمس مصدر لا ينضب تقريباً من مصادر الطاقة، ما دامت الطاقة المختزنة في هيئة روابط كيماوية ـــــ كتلك التي نجدها في الوقود الأحفوري ــــ يمكن الوصول إليها بشكل مريح وفعّال. ويجمع التمثيل الضوئي الاصطناعي بين هذه الميزات في تكنولوجيا قابلة للتطبيق وتَعِد بأمن الطاقة والاستدامة البيئية والاستقرار الاقتصادي.
وفي حين يزودنا التمثل الضوئي الطبيعي بمخطط معقد أنيق لإنتاج أشكال الوقود الكيماوي من ضوء الشمس، فإن حدوداً كبيرة تقيد أداءه. فمن المعروف أن نحو 10 في المائة فقط من ذروة الطاقة الشمسية تستخدم فعليا؛ ولا تتجاوز كفاءة صافي تحويل الطاقة السنوي 1 في المائة؛ وكميات كبيرة من الطاقة تستهلك داخلياً لتجديد ــــ والحفاظ على ــــ الآلية الجزيئية المتقنة من التمثيل الضوئي؛ وتُختَزَن الطاقة في أشكال الوقود الكيماوي غير المتوافقة مع أنظمة الطاقة القائمة.
ومع ذلك فإن التمثيل الضوئي الاصطناعي، المستلهم من البديل الطبيعي، أظهر إمكانية للأداء المتفوق، فهو يوفر الطاقة في شكل يمكن استخدامه في بنية الطاقة الأساسية الحالية. وعلاوة على ذلك فإن النظام الاصطناعي بالكامل لا يتطلب استخدام الأراضي الصالحة للزراعة أو المياه الصالحة للشرب، ولن يرغمنا على الاختيار بين إنتاج الغذاء أو الوقود في استخدام الأراضي.
ويمكن الجمع بين تكنولوجيات الطاقة القائمة بالفعل لتوليد الوقود الكيماوي بكفاءة ولو بشكل غير مباشر من ضوء الشمس، ولكن ليس بعد بتكوين عملي وقابل للتطوير ومجدٍ اقتصادياً في الوقت نفسه. وعلى نحو مماثل فإن الكفاءة الإجمالية للأنظمة المتكاملة بالكامل لتحويل ضوء الشمس إلى وقود من الممكن أن تكون أعظم كفاءة بنحو عشر مرات من أغلب الأنظمة البيولوجية التي تتسم بالكفاءة في استخدام الطاقة، ولكن تكاليف رأس المال أعلى من أن تسمح بالانتشار التجاري. وعلى هذا فإن الأولوية القصوى للباحثين لا بد أن تتلخص في تطوير مولد للوقود الشمسي يجمع بين القابلية للتطوير والجدوى الاقتصادية والقوة والكفاءة.
ويكمن المفتاح لإنشاء مثل هذا النظام في استخدام المواد المتوافرة في الأرض التي يمكنها أن تؤدي الوظائف الأساسية المتمثلة في امتصاص الضوء وتسهيل التفاعلات الكيماوية التي تشكل الوقود. فكما يعمل الكلوروفيل على امتصاص الضوء في عملية التمثيل الضوئي الطبيعية، فإن المواد المناسبة مطلوبة لاحتجاز وتحويل ضوء الشمس في الأنظمة الاصطناعية. ورغم أن خصائص امتصاص الضوء في السليكون مناسبة للأجهزة الكهروضوئية، فإن الفولت الذي تولده ''ما يقرب من 0.5 فولت'' أضعف كثيراً من أن يكون كافياً لتكسير المياه في مولد الطاقة الشمسية.
ويتطلب النظام الاصطناعي أيضاً محفزات لتسهيل الإنتاج الفعّال للوقود الكيماوي. ولا بد أن تكون هذه المحفزات عالية النشاط، ومستقرة، وتتكون من أجل تمكين تطويرها على المستوى العالمي من عناصر متوافرة في الأرض، مثل الحديد أو النيكل أو الكوبالت، وليس من المعادن النادرة المستخدمة الآن مثل الروثينيوم أو الإيريديوم.
وفي الظروف المثالية، يوفر توليد الوقود الشمسي المرونة في أنواع الوقود الكيماوي التي يمكن إنتاجها من أشعة الشمس. وفي أبسط صوره، ينقسم الماء إلى غازي الهيدروجين والأكسجين. ومن الممكن تحويل الهيدروجين إلى وقود سائل عن طريق ترقية الوقود الحيوي على سبيل المثال، أو حمله على التفاعل مع ثاني أكسيد الكربون في غاز المدخنة أو علاجه لإنتاج وقود سائل يمكن استخدامه في تطبيقات النقل. وبدلاً من ذلك فإن المحفزات، كما هي الحال في أنظمة التمثيل الضوئي الطبيعية، يمكنها اختزال غاز ثاني أكسيد الكربون بشكل مباشر، وفي هذه الحالة إلى ميثانول أو ميثان. وستكون الأنظمة الأكثر فعالية قادرة على تقديم وقود غازي أو سائل.
لقد زودتنا التطورات الحديثة في علوم النانو والمواد والكيمياء والفيزياء بالأدوات اللازمة لتحقيق تقدم سريع في هذا المجال. والجائزة في نهاية المطاف هي تكنولوجيا الطاقة النظيفة التي هي في المتناول والقادرة على توفير الأساس لمستقبل الطاقة الآمنة المستدامة.