باحثون في جامعة ستانفورد الأمريكية يطوّرون تقنية جديدة لتحليل الميثان الحراري لإنتاج الهيدروجين ترفع الإنتاجية عشرة أضعاف

أخبار ar.wedoany.com، أفاد فريق بحثي من كلية الهندسة بجامعة ستانفورد (Stanford University) في دراسة نشرتها مجلة «ساينس» (Science) عن تطوير تقنية جديدة لتحليل الميثان الحراري لإنتاج الهيدروجين. وتعتمد التقنية الجديدة على توفير الحرارة من داخل المفاعل، حيث يتم تحليل الميثان مباشرة إلى هيدروجين وكربون صلب. وأوضح الباحثون أنه عند نفس مدخلات الطاقة، تبلغ الإنتاجية المادية للمفاعل الجديد نحو عشرة أضعاف الإنتاجية في الطرق التقليدية التي تعتمد على التسخين الخارجي.

تؤدي المسارات الحالية لإنتاج الهيدروجين من الغاز الطبيعي إلى انبعاث ثاني أكسيد الكربون الغازي أثناء الحصول على الهيدروجين؛ بينما يعمل التحليل الحراري للميثان على تفكيك الميثان إلى هيدروجين وكربون صلب دون إنتاج ثاني أكسيد الكربون الغازي. وقد دُرست هذه التقنية لسنوات عديدة، لكنها ظلت تواجه صعوبات في الانتقال من النطاق المخبري إلى النطاق الصناعي، وتتمثل العقبات الرئيسية في جانبين: إزالة الكربون الصلب من المفاعل، وتوفير حرارة كافية لعملية التفاعل. وأشار هنري مويس (Henry Moise)، الباحث بقسم الهندسة الكيميائية بجامعة ستانفورد وأحد المؤلفين المشاركين الأوائل للدراسة، إلى أن هذا العمل يركز على مسألة توفير الحرارة.

وقال ماتيو كارجنيلو (Matteo Cargnello)، أستاذ مشارك بقسم الهندسة الكيميائية بجامعة ستانفورد والمؤلف الرئيسي للدراسة، إنه لمواءمة حجم التحليل الحراري مع سوق الهيدروجين، يجب بناء مفاعلات كبيرة جدًا، ويجب تسخينها إلى 1000 درجة مئوية، ويجب أن تكون طريقة التسخين فعّالة للغاية. وتعتمد المفاعلات الصناعية الحالية في الغالب على التسخين الخارجي، وكلما زاد حجم المفاعل، زادت صعوبة اختراق الحرارة لمركزه. ولم يلجأ الفريق البحثي إلى الاحتراق الخارجي للغاز الطبيعي الذي ينتج ثاني أكسيد الكربون، بل وضع موقدًا داخل المفاعل لحرق جزء من الهيدروجين بشكل انتقائي. وتتمثل منتجات احتراق هذا الجزء من الهيدروجين في الماء بشكل أساسي، مما يدفع تفاعل تكسير الميثان مع تجنب الانبعاثات المباشرة لثاني أكسيد الكربون.

ووفقًا لمويس، فإن أسلوب التسخين الذاتي هذا يحقق كفاءة أعلى بنحو عشرة أضعاف. فإذا تم استخدام نفس كمية الطاقة، فإن الإنتاجية المادية لمفاعل واحد يعمل بالطريقة الجديدة تعادل إنتاجية نحو عشرة مفاعلات تعمل بالطرق التقليدية القائمة على التسخين الخارجي. وكشفت الدراسة أيضًا أن الكربون الصلب الناتج عن التفاعل يترسب على شكل جرافيت عالي الجودة، يمكن استخدامه في منتجات مثل البطاريات والأقطاب الكهربائية. ووصفه مويس بأنه «أكبر مفاجأة» في المشروع.

وقال مويس إن ما لا يقل عن بضعة في المئة من الناتج المحلي الإجمالي يعتمد على الهيدروجين. واستشهد بالأسمدة كمثال: فإنتاج الأمونيا لا يمكن أن يتم دون الهيدروجين، وتشير التقديرات إلى أن الأسمدة النيتروجينية تغذي نحو نصف سكان العالم؛ ويُستخدم الهيدروجين أيضًا في عمليات تكرير النفط لإزالة الكبريت من البنزين، ويساهم في إنتاج منتجات مثل الميثانول. وأضاف أن الهيدروجين «موجود في كل مكان لدرجة أنه أصبح غير مرئي». ويأمل الفريق البحثي أن تمهد التقنية الجديدة الطريق لإنتاج هيدروجين نظيف ومنخفض التكلفة.

ووفقًا للدراسة، يضم قائمة المؤلفين المشاركين الأوائل أيضًا الطالب الزائر الألماني سيباستيان مول (Sebastian Moll)، الذي عمل في مختبر مويس لمدة ستة أشهر. وقدّم فريق إريك ماكفارلاند (Eric McFarland) من جامعة كاليفورنيا، سانتا باربرا (University of California, Santa Barbara) بيانات عن مفاعلات أكبر حجمًا؛ وشجّع أرون ماجومدار (Arun Majumdar) الفريق على التصدي لهذا الموضوع. ومن بين المؤلفين المشاركين الآخرين: جوشوا مارتينيز-نافارو (Joshua Martinez-Navarro) وساي فاراناسي (Sai Varanasi) من جامعة ستانفورد، والباحث السابق بعد الدكتوراه كون شو (Kun Xu)، بالإضافة إلى باحثين من جامعة كاليفورنيا، سانتا باربرا ومعهد كارلسروه للتكنولوجيا (Karlsruhe Institute of Technology) الألماني.

وقد قدّمت جامعة ستانفورد طلب براءة اختراع مؤقت يتعلق بنتائج هذا البحث. وحظيت الدراسة بدعم من مؤسسة كافلي (Kavli Foundation)، ومركز الكربون بجامعة رايس (Carbon Hub at Rice University)، ومبادرة الغاز الطبيعي بجامعة ستانفورد (Natural Gas Initiative at Stanford)، ومركز أبحاث ثاني أكسيد الكربون بجامعة آرهوس الدنماركية (CO2 Research Center at Aarhus University). وأشار كارجنيلو إلى أن الخطوة التالية تتطلب توسيع نطاق البحث للتحقق من إمكانية تطبيق هذه الطريقة في إنتاج الهيدروجين على نطاق واسع.