الطاقة الشمسية الكيميائية

يشير مصطلح الكيمياء الشمسية إلى عدد من العمليات الممكنة التي تستغل الطاقة الشمسية عن طريق امتصاص ضوء الشمس في تفاعل كيميائي . وتتشابه هذه الفكرة من حيث المبدأ مع عملية التمثيل الضوئي في النباتات، والتي تحول الطاقة الشمسية إلى روابط كيميائية لجزيئات الجلوكوز ، ولكن دون استخدام كائنات حية، ولهذا السبب تُسمى أيضًا بالتمثيل الضوئي الاصطناعي . ^{[ 1 ]}

يُعدّ استخدام ضوء الشمس المركّز لتوفير الطاقة اللازمة لتحليل الماء إلى عنصريه الأساسيين ، الهيدروجين والأكسجين ، بوجود عامل حفاز معدني كالزنك، نهجًا واعدًا . ويتم ذلك عادةً على مرحلتين، بحيث لا يُنتج الهيدروجين والأكسجين في نفس الحجرة، مما يُشكّل خطرًا للانفجار. وهناك نهج آخر يتمثل في أخذ الهيدروجين الناتج في هذه العملية ودمجه مع ثاني أكسيد الكربون لإنتاج الميثان . وتكمن ميزة هذا النهج في وجود بنية تحتية راسخة لنقل الميثان وحرقه لتوليد الطاقة، وهو ما لا ينطبق على الهيدروجين. إلا أن أحد أبرز عيوب كلا النهجين، وهو عيب شائع في معظم طرق تخزين الطاقة، هو أن إضافة خطوة إضافية بين جمع الطاقة وإنتاج الكهرباء تُقلّل بشكل كبير من كفاءة العملية برمتها.

في وقت مبكر من عام 1909، دُرست عملية ازدواج الأنثراسين إلى ثنائي الأنثراسين كوسيلة لتخزين الطاقة الشمسية، بالإضافة إلى الازدواج الضوئي لسلسلة النفثالين . ^{[ 2 ]} في سبعينيات وثمانينيات القرن الماضي ، تم تصنيع وقود من تفاعل كيميائي عكسي آخر، وهو دورة تحويل النوربورنادين إلى الكوادريسيكلان، إلا أن هذه المحاولة باءت بالفشل نظرًا لانخفاض جهد عملية الانعكاس. كما جُرّبت جزيئات قائمة على الروثينيوم ، ولكن تم رفضها نظرًا لندرة الروثينيوم وثقله الشديد. ^{[ 3 ]} في العقد الماضي، طُرحت نظرية جديدة لبنية نانوية هجينة كنهج جديد لمفهوم تخزين الطاقة الشمسية المعروف سابقًا .

التثني الضوئي هو عملية تكوين ثنائيات الجزيئات بفعل الضوء ، بينما التماثل الضوئي هو عملية تكوين متماثلات الجزيئات بفعل الضوء . في حين يخزن التثني الضوئي الطاقة من ضوء الشمس في روابط كيميائية جديدة، يخزن التماثل الضوئي الطاقة الشمسية عن طريق إعادة توجيه الروابط الكيميائية الموجودة إلى تكوين ذي طاقة أعلى.

لكي يتمكن أحد المتماكبات من تخزين الطاقة، يجب أن يكون شبه مستقر كما هو موضح أعلاه. ينتج عن ذلك مفاضلة بين استقرار متماكب الوقود وكمية الطاقة اللازمة لعكس التفاعل عند استخدام الوقود. يخزن المتماكب الطاقة على شكل طاقة إجهاد في روابطه. كلما زاد إجهاد الروابط، زادت الطاقة التي يمكنها تخزينها، ولكن قل استقرار الجزيء. تُستخدم طاقة التنشيط (Ea) لتحديد مدى سهولة أو صعوبة حدوث التفاعل. إذا كانت طاقة التنشيط منخفضة جدًا، سيميل الوقود إلى الانتقال تلقائيًا إلى الحالة الأكثر استقرارًا، مما يحد من فائدته كوسيط تخزين. أما إذا كانت طاقة التنشيط عالية جدًا، فإن الطاقة المستهلكة لاستخلاص الطاقة من الوقود ستقلل فعليًا من كمية الطاقة التي يمكن للوقود تخزينها. يتطلب إيجاد جزيء مفيد للوقود الشمسي إيجاد التوازن الأمثل بين المردود، وامتصاص الضوء بواسطة الجزيء، واستقرار الجزيء في الحالة شبه المستقرة، وعدد مرات إعادة تدوير الجزيء دون تدهور.

دُرست العديد من الكيتونات والأزيبينات والنوربورنادينات ، بالإضافة إلى مركبات أخرى مثل الأزوبنزين ومشتقاته، باعتبارها متصاوغات محتملة لتخزين الطاقة. ^{[ 4 ]} وقد خضع زوج النوربورنادين - كوادريسيكلان ومشتقاته لدراسات مستفيضة في مجال عمليات تخزين الطاقة الشمسية. يتحول النوربورنادين إلى كوادريسيكلان باستخدام الطاقة المستخرجة من ضوء الشمس، ويسمح الإطلاق المتحكم به لطاقة الإجهاد المخزنة في الكوادريسيكلان (حوالي 110 كيلوجول /مول ) أثناء عودته إلى النوربورنادين، باستخراج هذه الطاقة مرة أخرى لاستخدامها لاحقًا.

توقف البحث في كلٍ من نظامي أزوبنزين ونوربونادين-كوادريسيكلان في ثمانينيات القرن الماضي لعدم جدواه العملية بسبب مشاكل التحلل وعدم الاستقرار وانخفاض كثافة الطاقة والتكلفة. ^{[ 5 ]} ومع ذلك، ومع التطورات الحديثة في القدرة الحاسوبية، تجدد الاهتمام بإيجاد مواد للوقود الحراري الشمسي. في عام 2011، استخدم باحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) نظرية الكثافة الوظيفية المعتمدة على الزمن، والتي تُحاكي الأنظمة على المستوى الذري، لتصميم نظام مُكوّن من جزيئات أزوبنزين مرتبطة بقوالب من أنابيب الكربون النانوية (CNT). تسمح ركائز أنابيب الكربون النانوية بتفاعلات قابلة للتخصيص بين الجزيئات المتجاورة، مما يُساعد بشكل كبير في ضبط خصائص الوقود بدقة، مثل زيادة كمية الطاقة المُخزنة. ^{[ 3 ]} من خلال الإجراءات التجريبية، تمكن الباحثون من الحصول على أول دليل مبدئي على أن البنية النانوية الهجينة تعمل كوقود حراري فعال. تتميز مركبات الأزوبنزين بقدرتها على امتصاص الأطوال الموجية الوفيرة جدًا في ضوء الشمس. عند حدوث ذلك، يتحول الجزيء من متصاوغ ترانس إلى متصاوغ سيس ذي طاقة أعلى تبلغ حوالي 0.6 إلكترون فولت. ^{[ 5 ]} ولإعادة الجزيء إلى حالته الأصلية، أي إطلاق الطاقة التي اكتسبها، توجد عدة خيارات. أولها التسخين، لكن هذه الطريقة مكلفة، مقارنةً بكمية الحرارة الناتجة عن الإطلاق، ما يجعلها غير مجدية اقتصاديًا. أما الخيار الثاني، والأكثر فعالية، فهو استخدام عامل حفاز يخفض الحاجز الحراري ويسمح بإطلاق الحرارة، تمامًا كالمفتاح. ^{[ 6 ]} كما يمكن تحفيز التحول العكسي من سيس إلى ترانس بواسطة الضوء الأزرق المرئي.

يُوفر هذا النظام كثافة طاقة تُضاهي بطاريات الليثيوم أيون، مع زيادة استقرار الوقود المُنشط من بضع دقائق إلى أكثر من عام، مما يسمح بعدد كبير من دورات الشحن والتفريغ دون تدهور ملحوظ. ^{[ 3 ]} ويجري حاليًا إجراء المزيد من الأبحاث لتحقيق تحسينات أكبر من خلال دراسة تركيبات مختلفة من الركائز والجزيئات الحساسة للضوء.

تتعدد التطبيقات المحتملة والحالية للوقود الكيميائي الشمسي. ومن أهم مزايا هذه التقنية قابليتها للتوسع. فبإمكانية تخزين الطاقة وتحويلها لاحقًا إلى حرارة عند الحاجة، مما يجعلها مثالية للوحدات الصغيرة المتنقلة. تتراوح هذه الوحدات بين المواقد المحمولة أو السخانات الشخصية الصغيرة التي تُشحن بالطاقة الشمسية، وصولًا إلى توفير خدمات الصرف الصحي في المناطق النائية. كما توجد خطط لاستخدام النظام المُطور في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) كنظام لإزالة الجليد عن نوافذ السيارات. ويتميز هذا النظام أيضًا بإمكانية توسيعه لتسخين المنازل أو المباني الكبيرة، وحتى المسطحات المائية. ومن الناحية المثالية، يجب أن يكون الوقود الحراري الشمسي قادرًا على العمل بشكل متواصل دون تدهور، مما يجعله مثاليًا للتطبيقات واسعة النطاق التي تتطلب عادةً استبدالًا متكررًا لأنواع التخزين الأخرى.

• نظام تخزين الطاقة الكيميائية الحرارية التابع للجامعة الوطنية الأسترالية - الجامعة الوطنية الأسترالية، كانبرا.
• مختبر تكنولوجيا الطاقة الشمسية - معهد بول شيرر، فيليجن، سويسرا.
• مجلة الطاقة والقوة ، مقال في مارس 2004 حول عمل معهد بول شيرر
• مشروع الكيمياء الشمسية، بلاتافورما سولار دي ألميريا، إسبانيا،
• إسراكاست - إسرائيل،
• الطاقة الشمسية الهيدروجينية - المملكة المتحدة.