جامعة ييل الأمريكية تطور نظام بلازما لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى سلائف وقود الطيران

أخبار ar.wedoany.com، طوّر باحثون في جامعة ييل (Yale University) نظاماً يجمع بين البلازما والكهرباء لتحويل ثاني أكسيد الكربون (CO2) إلى مواد كيميائية ذات قيمة مثل الميثانول والبيوتان. وقد نُشرت النتائج ذات الصلة في مجلة «نيتشر كاتاليسيس» (Nature Catalysis)، ويقود المشروع الدكتورة ليا وينتر (Lea Winter)، الأستاذة المساعدة في الهندسة الكيميائية والبيئية بالجامعة.

يتوافر ثاني أكسيد الكربون بوفرة، غير أنه ظل لفترة طويلة عصياً على التحويل واسع النطاق إلى منتجات مفيدة، لأنه جزيء عالي الاستقرار وشديد الخمول، ويصعب تحويله دون إدخال قدر كبير من الطاقة. ويُعدّ التحفيز الكهربائي مساراً واعداً في هذا المجال، إذ يستخدم الكهرباء والمحفزات لدفع التفاعلات الكيميائية وتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى مركبات أخرى. لكن استخدام التحفيز الكهربائي وحده لا يُنتج عادةً سوى مجموعة محدودة نسبياً من المنتجات الكربونية البسيطة.

وتقوم فكرة فريق وينتر على الجمع بين التحفيز الكهربائي والبلازما. وغالباً ما تُوصف البلازما بأنها الحالة الرابعة للمادة بعد الحالة الصلبة والسائلة والغازية، وهي غاز عالي الإثارة انتُزعت منه الإلكترونات من الذرات، ولذلك يحتوي على جسيمات مشحونة. وتستطيع هذه الإلكترونات عالية الطاقة إثارة جزيئات ثاني أكسيد الكربون وإضعاف روابطها الكيميائية قبل وصولها إلى المحفز الكهربائي، ثم يستخدم المحفز هذه الأنواع المنشطة لإنتاج منتجات مختلفة. ويقول وينتر إن البلازما تفتح مسارات كيميائية لا يستطيع التحفيز الكهربائي بمفرده الوصول إليها، وإن المنتجات متعددة الكربون المتولدة بهذه الطريقة مفيدة فعلاً لكثير من الصناعات الكيميائية، ويمكنها أيضاً إنتاج مواد كيميائية سلائف لوقود الطيران المستدام، واستخدامها في تصنيع الوقود والأدوية والمذيبات وغيرها من المواد الكيميائية التي تُنتج حالياً من الوقود الأحفوري.

ويكمن التحدي في طريقة الاقتران. إذ تعتمد عمليات البلازما والكيمياء الكهربائية عادةً على واجهة مائية، وعندما تنشّط البلازما غاز ثاني أكسيد الكربون، قد يُخمِد الماءُ أكثرَ أنواع البلازما تفاعلاً ويعادلها قبل وصولها إلى المحفز الكهربائي. ويعترف وينتر بأن كيفية اقتران البلازما بالمحفز بفعالية، بحيث تشارك الأنواع المثارة بالبلازما فعلياً في التفاعل التحفيزي، ظلت مسألة صعبة.

ولذلك اقترح العلماء واجهة ثلاثية الأطوار تجمع بين مكونات الطور الغازي والسائل والصلب، مع تجنّب التفاعل المباشر بين البلازما والماء. ويعتمد هذا النظام على قطب انتشار غازي، وهو غشاء مصنوع من المادة نفسها المستخدمة في أواني الطهي غير اللاصقة، ومغطى جزئياً بطبقة رقيقة من النحاس كمحفز كهربائي، ومسامّه واسعة بما يكفي لمرور جسيمات البلازما ووصولها إلى طبقة المحفز الكهربائي حيث تلتقي بروتونات الماء، فتدفع التفاعل الكيميائي.

ويقول الباحثون إن هذه الطريقة حققت بعضاً من أعلى معدلات الإنتاج حتى الآن للكحوليات ذات القيمة والمنتجات ثلاثية ورباعية الكربون، وهي منتجات يمكن استخدامها في الوقود السائل والأدوية وغيرها من المنتجات ذات القيمة. وتعتزم المجموعة في الخطوة التالية تحسين المحفز واختبار مواد بديلة. ويعمل هذا النظام في درجة حرارة الغرفة والضغط الجوي، ما قد يسهّل تسويقه تجارياً. ويقول وينتر إن هذه عملية جاهزة للتشغيل، يمكن تشغيلها وإيقافها حسب توافر إمدادات الكهرباء، ويمكن أيضاً تشغيلها مباشرة بالكهرباء المتجددة المتقطعة، ولذلك قد نشهد تعديلاً للمصانع القائمة بدلاً من بناء مصنع كامل جديد حولها.