تُستَخدم الأمونيا على نطاق واسع في الأسمدة والعديد من العمليات الصناعية، كما تُعتبر وسيطاً واعداً جداً لتخزين ونقل الطاقة لأنها أكثر أماناً وسهولة في المناولة مقارنة بالهيدروجين. باستخدام البلازما – الحالة الرابعة للمادة – تمكن العلماء من ابتكار مواد جديدة تُعزز إنتاج الأمونيا بكفاءة.

حالياً، تتطلب الأمونيا مصانع ضخمة تنتجها ثم تُنقل بالشاحنات إلى جميع أنحاء البلاد للاستخدام الصناعي، وهي عملية مكلفة للغاية. طريقة جديدة لإنتاج هذا المركب الكيميائي الأساسي قد تغير هذا الواقع جذرياً.

تقول إيميلي كارتر (Emily Carter)، المستشارة الاستراتيجية الكبيرة في مجلس علوم المواد التطبيقية والاستدامة (AMSS) بوزارة الطاقة الأمريكية ونائبة مدير المختبر:

«إذا أُنتِج الهيدروجين في موقع بعيد وكان هناك حاجة لنقله، فإن تخزينه ونقله في صورة أمونيا أكثر أماناً وملاءمة، وفي الحالة المثالية يمكن تفكيك الأمونيا إلى هيدروجين حسب الحاجة في الموقع المطلوب».

وأضاف باحثو مختبر برينستون لفيزياء البلازما (PPPL) أن الهدف هو إيجاد طرق فعالة ورخيصة التكلفة لتركيب الأمونيا وتفكيكها، وهو ما يعمل عليه حالياً قسم علوم التصنيع الكهروكيميائي في برنامج AMSS بـ PPPL.

أُنجزت الدراسة بتعاون متعدد التخصصات بين:

• مختبر برينستون لفيزياء البلازما (PPPL)
• مختبر أوك ريدج الوطني (Oak Ridge National Laboratory)
• جامعة برينستون (Princeton University)
• جامعة روتجرز (Rutgers University)
• جامعة روان (Rowan University)

نُشرت الورقة البحثية في مجلة ACS Energy Letters.

تكلفة إنتاج الأمونيا الحالية مرتفعة جداً لأنها تتطلب مصانع ضخمة ودرجات حرارة وضغوط قصوى. أما الطريقة الجديدة فتستخدم الأمونيا كناقل للهيدروجين، ويمكن إنتاجها في منشآت صغيرة قريبة من أماكن الطلب أو حتى في الموقع مباشرة، مما يقلل تكاليف النقل لمسافات طويلة بشكل كبير.

يقول الباحث الرئيسي جيو يي قوانغ (Ju Yiguang):

«كثافة طاقة الهيدروجين منخفضة ونقله صعب، بينما كثافة طاقة الأمونيا تضاعف كثافة الهيدروجين المضغوط، وهي أسهل في النقل لمسافات طويلة، مما قد يُحدث ثورة في مجال تخزين ونقل الطاقة».

يُعد PPPL رائداً عالمياً في محاكاة البلازما منخفضة الحرارة. يقوم الفيزيائي الباحث مارك مارتيريز (Mark Martirez)، نائب مستشار علوم الاستدامة في AMSS، بمحاكاة التجارب الجديدة لفهم العمليات الكيميائية على المستوى الذري. هذه المحاكاة ضرورية لفهم الآلية التي يتكون بها الأمونيا من الماء والنيتروجين، خاصة أن التحفيز بالبلازما مجال جديد نسبياً.

تتخلى الطريقة الجديدة تماماً عن الحرارة والضغط العاليين المطلوبين في التحفيز الحراري التقليدي لتخليق الأمونيا من الهيدروجين والنيتروجين، وتستخدم بدلاً من ذلك الكهرباء والماء والنيتروجين والبلازما منخفضة الحرارة. في البلازما منخفضة الحرارة، تكون درجة حرارة الجزيئات غير المشحونة منخفضة أو في درجة حرارة الغرفة، بينما تكون الإلكترونات ساخنة جداً، مما يُغيّر سطح المحفز ويُحقن ذرات النيتروجين أو الهيدروجين. المحفز المستخدم يتميز بهيكل مركب ذي واجهات غير متجانسة فريدة (Heterogeneous Interface Complex - HIC) يُسرّع التفاعل الكيميائي دون أن يتغير هو نفسه.