نور خورشید یکی از فراوانترین منابع انرژی روی زمین است، اما ما نمیتوانیم هر زمان و در هر مکانی که بخواهیم از آن استفاده کنیم. دلیل این موضوع ساده است: ذخیره انرژی خورشیدی و انتقال آن از مناطق آفتابی به نقاطی با تابش محدود، همچنان پرهزینه و از نظر فنی چالشبرانگیز است. زیرساختهایی مانند باتریهای بزرگ، شبکههای انتقال برق و تجهیزات پیچیده ذخیرهسازی، هزینه و محدودیتهای خاص خود را دارند.
با این حال، یک تیم تحقیقاتی بهتازگی نشان داده است که میتوان نور خورشید را داخل یک مایع ذخیره کرد و سپس در تاریکی کامل آن را به گاز هیدروژن تبدیل نمود. نکته مهم اینجاست که این روش نه به سیمکشی نیاز دارد، نه باتری و نه حتی اتصال به شبکه برق. این دستاورد میتواند فصل تازهای در حوزه ذخیره انرژی خورشیدی و انتقال آن باز کند.
عبور از یک مانع قدیمی در ذخیره انرژی خورشیدی
تا پیش از این، هیچ سامانهای که از مواد ساده و در دسترس تجاری استفاده کند، موفق نشده بود انرژی خورشیدی را ذخیره و سپس بدون استفاده از برق خارجی، آن را به هیدروژن آزاد کند. پژوهش جدید نشان میدهد که این مانع مهم سرانجام پشت سر گذاشته شده است.
در این فناوری، نور خورشید به نوعی «الکترون ذخیرهشده» تبدیل میشود. به بیان ساده، انرژی نورانی به صورت انرژی شیمیایی در یک محلول نگهداری میشود و هر زمان که لازم باشد، آزاد میگردد. این مفهوم میتواند تحول بزرگی در ذخیره انرژی خورشیدی ایجاد کند، زیرا وابستگی به زیرساختهای پیچیده را کاهش میدهد.
تبدیل نور خورشید به «الکترونهای ذخیرهشده»
سیستم طراحیشده توسط محققان از دو ماده ارزان و در دسترس ساخته شده است. ماده نخست «نیترید کربن گرافیتی» است؛ پودری زردرنگ که توانایی جذب نور مرئی را دارد و بهعنوان فوتوکاتالیست عمل میکند. ماده دوم «آمونیوم متاتنگستات» است؛ خوشهای از اتمهای تنگستن و اکسیژن که میتواند چندین الکترون را بپذیرد و نگه دارد، درست مانند یک باتری قابل شارژ بسیار کوچک.
این فرآیند در محیط آب انجام میشود و مقدار کمی متانول نیز به آن افزوده میشود. متانول نقش کلیدی دارد، زیرا بارهای مثبت ایجادشده هنگام برخورد نور به نیترید کربن را جذب میکند. این کار مانع از بازترکیب سریع الکترونها میشود و اجازه میدهد انرژی بهجای از بین رفتن، ذخیره شود. البته در این سیستم، آب خالص شکافته نمیشود و متانول بهعنوان یک ماده کمکی مصرفی عمل میکند.
زمانی که نیترید کربن با نور آبی روشن میشود، جفتهایی از الکترون و حفره تولید میکند. الکترونها بهسرعت به خوشههای تنگستن مجاور منتقل میشوند. با انباشته شدن الکترونها، رنگ محلول از زرد کمرنگ به آبی تیره تغییر میکند. این تغییر رنگ نشانهای واضح است از اینکه اتمهای تنگستن از حالت بار +۶ به +۵ کاهش یافتهاند و انرژی خورشیدی به شکل شیمیایی ذخیره شده است.
این انتقال الکترون به دو دلیل بسیار کارآمد است. نخست اینکه در شرایط اسیدی، سطح نیترید کربن بار مثبت پیدا میکند و خوشههای تنگستن بار منفی دارند. بارهای مخالف یکدیگر را جذب میکنند و این نزدیکی باعث انتقال سریعتر الکترونها میشود. دوم اینکه ترازهای انرژی این دو ماده بهخوبی با هم هماهنگ است، بنابراین الکترونها بدون نیاز به نیروی خارجی جابهجا میشوند. در میان چند ماده مشابه آزمایششده، ترکیب تنگستن بهترین عملکرد و سازگاری انرژی را نشان داد.
آزادسازی انرژی در تاریکی کامل
نکته جالب اینجاست که با خاموش شدن نور، انرژی ذخیرهشده از بین نمیرود. برای آزادسازی آن، پژوهشگران تنها کافی است یک کاتالیست پلاتین روی کربن به محلول تاریک اضافه کنند. پلاتین مکانهایی فراهم میکند که در آن الکترونهای ذخیرهشده با پروتونهای موجود در آب ترکیب شده و گاز هیدروژن تولید میکنند.
به این ترتیب، جذب نور خورشید، ذخیره انرژی خورشیدی و تولید هیدروژن در مراحل جداگانه انجام میشود و حتی میتواند در زمانهای متفاوت صورت گیرد. پس از یک ساعت نوردهی، این سیستم توانست در تاریکی ۱۳.۵ میکرومول هیدروژن تولید کند. بیشترین نرخ تولید هیدروژن به ۳۲۲۰ میکرومول در هر گرم در ساعت رسید که بالاترین مقدار ثبتشده برای یک سیستم فوتوکاتالیستی فعال در تاریکی است.
آزمایشهای فضای باز زیر نور واقعی خورشید نیز موفقیتآمیز بودند. در این شرایط، سیستم توانست در تاریکی ۹۵۴ میکرومول در هر گرم در ساعت هیدروژن تولید کند، آن هم بدون هیچ ورودی الکتریکی. این نتایج نشان میدهد که ذخیره انرژی خورشیدی در قالب یک مایع قابلانتقال، تنها یک ایده آزمایشگاهی نیست، بلکه میتواند در شرایط واقعی نیز کار کند.
تأیید علمی عملکرد سیستم
اندازهگیریهای پیشرفته نشان دادند که الکترونها پس از جذب نور مدت بیشتری زنده میمانند، زیرا مقصدی برای انتقال دارند. طیفسنجی نیز نشان داد که اتمهای تنگستن هنگام نوردهی الکترون جذب میکنند. اندازهگیریهای مغناطیسی گونههای کاهشیافته تنگستن را تنها در زمان تابش نور شناسایی کردند. مجموعه این دادهها تأیید میکند که انرژی خورشیدی واقعاً ذخیره و سپس در صورت نیاز آزاد میشود.
پژوهشگران اعلام کردند این سامانه کارایی قابل توجهی در ذخیره انرژی به شکل الکترون دارد. این موضوع میتواند مسیر تازهای برای ذخیره انرژی خورشیدی و تبدیل آن به سوخت پاک باز کند.
امکان انتقال انرژی خورشیدی بهصورت مایع
یکی از جذابترین جنبههای این فناوری، امکان حمل و نقل انرژی به شکل مایع است. بهجای استفاده از مخازن پرفشار، دمای بسیار پایین یا شبکه برق، میتوان محلول حاوی الکترونهای ذخیرهشده را به منطقهای دیگر منتقل کرد و در آنجا به هیدروژن تبدیل نمود. اگر تحقیقات آینده نشان دهد که این الکترونها بهجای چند ساعت، برای هفتهها پایدار میمانند، آنگاه میتوان انرژی خورشیدی جمعآوریشده در مناطق آفتابی را به نقاط کمنور جهان ارسال کرد.
در چنین سناریویی، مفهوم ذخیره انرژی خورشیدی از یک فرآیند محلی به یک زنجیره تأمین جهانی تبدیل خواهد شد. کشورهایی با تابش بالا میتوانند انرژی را به شکل شیمیایی صادر کنند و دیگر کشورها آن را در زمان نیاز به سوخت هیدروژنی تبدیل نمایند.
چالشها و مسیر پیش رو
با وجود این پیشرفت چشمگیر، محدودیتهایی نیز وجود دارد. این سیستم به متانول وابسته است و هنوز از آب خالص استفاده نمیکند. همچنین پایداری طولانیمدت ذخیره انرژی فراتر از مقیاس آزمایشگاهی هنوز اثبات نشده است. برای آنکه این فناوری به یک راهکار تجاری تبدیل شود، باید این چالشها برطرف شوند.
با این حال، نتایج اولیه بسیار امیدوارکننده است. اگر موانع موجود برطرف شود، این روش میتواند راهکاری ساده، کمهزینه و مقیاسپذیر برای ذخیره انرژی خورشیدی و تولید هیدروژن پاک فراهم کند. چنین پیشرفتی نهتنها به کاهش وابستگی به سوختهای فسیلی کمک میکند، بلکه میتواند ساختار تولید و توزیع انرژی در جهان را نیز تغییر دهد.
در نهایت، این پژوهش نشان میدهد که آینده ذخیره انرژی خورشیدی ممکن است بهجای سیم و باتری، در قالب یک مایع قابل حمل و واکنشپذیر شکل بگیرد؛ راهکاری که میتواند انرژی خورشید را هر زمان و هر جا که لازم باشد، در دسترس قرار دهد.