בדרך כלל, כשאנחנו חושבים על ייצור אנרגיה בים, אנו מדמיינים אסדות נפט ענקיות, או אולי שורות של טורבינות רוח מתנשאות. אולם לאחרונה לאחרונה התווספו פאנלים סולאריים צפים, כולל משק סולארי בגודל של 160 מגרשי כדורגל שנכנסו לפעולה בסין בשנה שעברה.
כעת, צוות חוקרים מאוניברסיטת קולומביה רוצה ללכת רחוק יותר. הם אומרים שאפשר להשתמש בפאנלים סולאריים על פני האוקיאנוס למכשירי חשמל שיכולים להפיק דלק מימן ממי הים.
מימן הוא סוג נקי של אנרגיה, אך בדרך כלל הוא מופק מגז טבעי בתהליך שמשחרר גם פחמן דו חמצני, המניע העיקרי לשינויי אקלים. מדעני הקולומביה טוענים כי המכשיר שלהם, המכונה אלקטרוליזר צף פוטו-וולטאי, מבטל את התוצאה על ידי שימוש באלקטרוליזה כדי להפריד חמצן ומימן במולקולות מים, ואז לאחסן את האחרון לשימוש כדלק.
ראש הצוות דניאל אספוזיטו, פרופסור להנדסה כימית, מציין כי השימוש באלקטרוליזרים מסחריים קיימים לייצור מימן הוא די יקר. "אם אתה לוקח מהמדף לוחות סולאריים ואלקטרוליזרים זמינים מסחריים, ואתה משתמש באור שמש כדי לפצל מים למימן וחמצן, זה יהיה יקר פי שלושה עד שש מאשר היית מייצר מימן מגז טבעי, " הוא אומר.
הוא גם מציין כי אותם אלקטרוליזרים דורשים ממברנות בכדי להפריד בין מולקולות החמצן והמימן ברגע שהן מפוצלות זו מזו. זה לא רק מוסיף לעלות, אלא שהחלקים הללו נוטים להתפרק במהירות כאשר הם נחשפים למזהמים ולמיקרובים במי המלח.
בהצהרה אמר ג'ק דייוויס, חוקר ומחבר ראשי במחקר ההוכחה-מושג, "היכולת להפגין בבטחה מכשיר שיכול לבצע אלקטרוליזה ללא ממברנה מקרבת אותנו צעד נוסף להתאפשר אלקטרוליזה של מי ים. "מחוללי דלק סולאריים אלה הם בעצם מערכות פוטוסינתזה מלאכותיות, ועושים את אותו הדבר שצמחים עושים עם פוטוסינתזה, כך שהמכשיר שלנו עשוי לפתוח כל מיני הזדמנויות לייצור אנרגיה נקייה ומתחדשת."
שתי אלקטרודות רשת מוחזקות במרחק הפרדה צר (L), ומייצרות במקביל גזי H2 ו- O2. החידוש העיקרי הוא המיקום הא-סימטרי של הזרז על המשטחים הפונים כלפי חוץ, כך שדור הבועות מוגבל לאזור זה. כאשר בועות הגז מתנתקות, הציפה שלהם גורמת להם לצוף כלפי מעלה לתאי איסוף נפרדים. (דניאל אספוסיטו / הנדסת קולומביה) מבעבע
אז מה מייחד את האלקטרוליזר שלהם?
המכשיר בנוי סביב אלקטרודות של רשת טיטניום התלויות במים ומופרדות על ידי מרחק קטן. כאשר מופעל זרם חשמלי, מולקולות החמצן והמימן מתפצלות זו מזו, כאשר בועות הגז המתפתחות בעבר על האלקטרודה טעונות לחיוב, והאחרון עושה את אותו הדבר על זה עם מטען שלילי.
חשוב להפריד בין בועות הגז השונות הללו, והאלקטרוליזר של קולומביה עושה זאת באמצעות יישום של זרז לצד אחד בלבד של כל רכיב רשת - המשטח הכי רחוק מהאלקטרודה השנייה. כאשר הבועות גדלות ומתנתקות מהרשת, הן צפות לאורך הקצוות החיצוניים של כל אלקטרודה במקום להתערבב בחלל שביניהן.
המדענים לא רק שנמנעו משימוש בקרומים יקרים, אלא שהם גם לא היו צריכים לשלב את המשאבות המכניות בהן משתמשים בדגמים מסוימים כדי להזיז נוזלים. במקום זאת, המכשיר שלהם מסתמך על ציפה כדי לצוף את בועות המימן לתא האחסון. במעבדה הצליח התהליך לייצר גז מימן עם טוהר של 99 אחוז.
אלכסנדר אורלוב, פרופסור חבר למדעי חומרים והנדסה כימית באוניברסיטת סטוני ברוק בניו יורק, מסכים כי חיסול הממברנות הוא פיתוח "מהותי". "הקרומים הם נקודות תורפה בטכנולוגיה, " הוא אומר. "יש כמה פתרונות מתוחכמים יותר, אך הגישה של אספוזיטו היא פשוטה מאוד ופרקטית למדי. היא פורסמה ונבדקה על ידי עמיתים בפרסומים בעלי השפעה גבוהה מאוד, כך שלמרות הפשטות שלה, המדע והחידוש הם יציבים."
חושב גדול
אספוסיטו ודיוויס מודים בנקל כי מדובר בקפיצה גדולה מהדגם הקטן שנבדק במעבדה שלהם לסוג המבנה העצום שיכול להפוך את הרעיון לביצוע מבחינה כלכלית. יתכן שיהיה עליו לכלול מאות אלפי יחידות אלקטרוליזרות מחוברות בכדי לייצר כמות מספקת של דלק מימן מהים.
למעשה, אומר אספוזיטו, יתכן שיהיה צורך לבצע כמה שינויים בעיצוב ככל שהפרויקט יתפשט והופך למודולרי יותר, כך שחלקים רבים יכולים להשתלב זה בזה בכיסוי שטח גדול. כמו כן, הם ניצבים בפני האתגר למצוא חומרים שיכולים לשרוד זמן רב במי מלח.
עם זאת, שניהם מאמינים כי לגישה שלהם יש פוטנציאל להשפיע על אספקת האנרגיה במדינה באופן משמעותי. מימן כבר משמש מאוד בתעשייה הכימית, למשל, לייצור אמוניה ומתנול. בנוסף, הביקוש צפוי להמשיך לעלות ככל שיצרני רכב נוספים מתחייבים לרכבים הפועלים על תאי דלק מימן.
(משמאל) תצלום של אב-הטיפוס האלקטרוליזר PV-עצמאי שצף במאגר נוזלי של חומצה גופרתית. תאים פוטו-וולטאיים הממוקמים על גבי "אסדת המיני" ממירים אור לחשמל המשמש להפעלת האלקטרוליזר חסר הממברנה שקוע מתחת. (מימין) עיבוד של "אסדת דלקים סולאריים" היפותטית בקנה מידה גדול הפועלת על הים הפתוח. ((משמאל) ג'ק דייויס ו (מימין) ג'סטין בואי / הנדסה קולומביה) החזון לטווח הארוך שלהם הוא של "אסדות דלק סולאריות" ענקיות שצפות באוקיאנוס, ואספוזיטו הרחיק לכת כדי להעריך כמה שטח מצטבר יצטרכו לכסות כדי לייצר מספיק דלק מימן כדי להחליף את כל השמן המשמש בכוכב הלכת. . החישוב שלו: 63, 000 מיילים, או שטח מעט פחות ממדינת פלורידה. זה נשמע כמו הרבה אוקיינוס, אבל הוא מציין שהשטח הכולל יכסה כ-045 אחוז משטח המים של כדור הארץ.
זה קצת תחזית פאי בשמיים, אבל אספוזיטו חשב גם על האתגרים בעולם האמיתי העומדים בפני פעולת ייצור אנרגיה צפה שלא קשורה למי הים. בתור התחלה, ישנם גלים גדולים.
"בהחלט, עלינו לתכנן את התשתית למתקן זה כך שהוא יכול לעמוד בים סוער", הוא אומר. "זה היה דבר שאתה צריך לקחת בחשבון כשאתה חושב איפה ממוקם אסדה."
ואולי, הוא מוסיף, האסדות הללו יכולות להיות מסוגלות לצאת מגדר הנזק.
"יש את האפשרות של אסדות כמו זה להיות ניידות. משהו שאולי יכול להתרחב ואז להתכווץ. זה כנראה לא יוכל לנוע מהר, אבל זה יכול לנוע מהסערה.
"זה יהיה באמת יקר, " הוא אומר.
