ביקוע מים בעזרת אנרגית השמש יסייע בהפקה יעילה של דלק מימן

צוות המחקר פיתח מערכת סולארית-תרמית שבאמצעותה ניתן לרכז את קרני השמש בעזרת מערך גדול של מראות לכדי נקודה יחידה בראש מגדל מרכזי בגובה של מאות מטרים.

צוות חוקרים מאוניברסיטת קולורדו פיתח שיטה חדישה המנצלת את עוצמתה של קרינת השמש על מנת לבקע באופן יעיל מולקולת מים למרכיביה – מימן וחמצן. השיטה הזו יכולה לסלול את הדרך לשימוש נרחב יותר במימן בתור דלק נקי וידידותי לסביבה.

צוות המחקר פיתח מערכת סולארית-תרמית שבאמצעותה ניתן לרכז את קרני השמש בעזרת מערך גדול של מראות לכדי נקודה יחידה בראש מגדל מרכזי בגובה של מאות מטרים. במגדל זה ניתן יהיה להשיג בעזרת המראות טמפרטורה של 1350 מעלות צלזיוס שתועבר למיכל תגובה הכולל בתוכו תרכובות מסוג תחמוצות מתכת. ברגע שתחמוצות אלו מתחממות, הן פולטות את אטומי החמצן האצורים בהן והופכות לתרכובות שונות התרות אחר אטומי חמצן נוספים, מסביר החוקר הראשי. צוות החוקרים הראה כי הוספת אדים למערכת – שאותם ניתן לקבל מתוך מים רותחים שחוממו בעזרת אלומת קרני השמש המרוכזת – גורמת לאטומי החמצן המרכיבים את מולקולת המים להיצמד למשטח של תחמוצת המתכת תוך כדי שחרור אטומי מימן המגיבים יחדיו לקבלת גז מימן נקי.

“תכננו כאן מערכת שונה מאוד מכל השיטות האחרות הקיימות ולאמיתו של דבר רעיון שאף אחד אחר לא חשב קודם לכן שהוא יהיה אפשרי,” אמר החוקר הראשי שהוא פרופסור במחלקה להנדסה כימית וביולוגית באוניברסיטת קולורדו. “ביקוע מולקולות מים בעזרת קרני השמש הוא “הגביע הקדוש” של כלכלת מימן ברת-קיימא.” ממצאי המחקר פורסמו בכתב העת המדעי היוקרתי Science.

אחד מההבדלים העיקריים בין השיטה החדשה לבין שיטות אחרות שפותחו לשם ביקוע מים הוא יכולתה לקיים שתי תגובות כימיות נפרדות באותה הטמפרטורה, מציין אחד מהחוקרים. למרות שלא כל פרטי המנגנון ידועים למדע, התיאוריות המסורתיות קובעות כי הפקת מימן בעזרת תחמוצת המתכת מחייבת חימום מיכל התגובה לטמפרטורה גבוהה לשם הרחקת אטומי החמצן מהתחמוצת ולאחר מכן הורדת הטמפרטורה לפני שמזרימים פנימה קיטור שנועד לחמצן מחדש את התרכובת תוך כדי קבלת גז מימן הנפלט מהתחמוצת עצמה.

“הגישות הקיימות מחייבות בקרה הן על הורדת הטמפרטורה שבמיכל מטמפרטורה גבוהה לנמוכה והן במהלך הזרמת הקיטור למערכת,” מסביר החוקר. “אחד מהחידושים הגדולים של המערכת שלנו הוא בכך שאנו לא מבצעים שינויים בטמפרטורה. כל התהליך מבוקר ע”י הדלקת או כיבוי שסתום הקיטור בלבד.”

“בדיוק כמו שניתן להשתמש בזכוכית מגדלת לשם ייזום אש, אנו יכולים לרכז את קרני השמש ולהשתמש בחום הנוצר מהאלומה המרוכזת לשם ייזום תגובות כימיות אלו,” מסביר החוקר. “למרות שאנו יכולים לחמם את האלומה לטמפרטורה הגבוהה מ-1350 מעלות צלזיוס, אנו מחממים אותה לטמפרטורה הנמוכה ביותר האפשרית הדרושה לייזום התגובות הכימיות, זאת בכדי להימנע מנזק הן לחומרים עצמם והן לציוד התגובה.”

בנוסף, השיטות הרגילות לביקוע מים באמצעות תהליך דו-שלבי מבזבזת הן זמן והן חום, וזאת למרות ששעות השמש ביום מוגבלות, מציין אחד מהחוקרים. בעזרת השיטה החדישה, כמות המימן המופק עבור תאי דלק או עבור אחסונו לשימוש מאוחר יותר תלויה באופן מוחלט בכמות תחמוצת המתכת – המורכבת מתערובת של ברזל, קובלט, אלומיניום וחמצן – ובכמות הקיטור המוזרם לתוך המערכת. אחד מהעיצובים שהוצעו ע”י החוקרים הוא לבנות מיכל תגובה בצורת שפופרות בקוטר של 30 ס”מ ובאורך של מספר מטרים, למלא אותן בתחמוצת המתכת ולערום אותן אחת מעל השנייה. מערכת פעילה מסחרית להפקת כמות משמעותית של גז מימן תחייב מספר של מגדלים לריכוז קרני השמש בתוך שטח של אלפים אחדים של מ”ר של מראות הסובבות כל אחד מהמגדלים.

“למרות התגלית החשובה הזו, המסחור של מיכל תגובה סולארי-תרמי מעין זה יכול להימשך מספר שנים. “כאשר מחירו של גז טבעי כה נמוך, אין כל תמריץ לנצל אנרגיה נקייה,” מסביר החוקר הראשי. “זה יקרה רק כאשר יוטלו עונשים כבדים על זיהום האוויר בפחמן, או כאשר מחירו של דלק המאובנים יהיה גבוה מדי.”

הידיעה על המחקר באתר האוניברסיטה