يوفر نظام التمثيل الضوئي الاصطناعي الجديد الخالي من البطاريات إنتاجًا أكثر ثباتًا للوقود الشمسي
طور فريق من الباحثين في جامعة أوساكا ميتروبوليتان نهجا أكثر عملية لعملية التمثيل الضوئي الاصطناعي من خلال إنشاء جهاز يمكنه تنظيم نفسه دون الاعتماد على نظام تحكم يعمل بالبطارية. ومن خلال إزالة الحاجة إلى هذا المكون الإضافي، يقلل التصميم من تكلفة وتعقيد إنتاج الوقود الشمسي. مثل العملية الطبيعية التي تستخدمها النباتات، تستخدم عملية التمثيل الضوئي الاصطناعي ضوء الشمس لتحويل الماء وثاني أكسيد الكربون إلى مركبات غنية بالطاقة. في هذا النظام، المنتج النهائي هو حمض الفورميك، وهي مادة كيميائية يمكن تخزينها واستخدامها لاحقًا كوقود نظيف أو كمادة تغذية صناعية. العنصر الأساسي هو المحلل الكهربائي، الذي يحول الكهرباء المولدة من الخلايا الشمسية إلى طاقة كيميائية، مما يجعل من الممكن التقاط وتخزين الطاقة الشمسية في شكل حمض الفورميك لاستخدامها في المستقبل. الاختراق يقلل الاعتماد على الإلكترونيات المعقدة. يصبح الحفاظ على إنتاج الوقود الشمسي بكفاءة أمرًا صعبًا عندما تتغير شدة ضوء الشمس على مدار اليوم. ولمعالجة هذه المشكلة، تعتمد العديد من أنظمة التمثيل الضوئي الاصطناعي على تقنية تُعرف باسم تتبع أقصى نقطة للطاقة (MPPT)، والتي تقوم بضبط الجهد والتيار بشكل مستمر لضمان عمل الخلايا الشمسية بأعلى كفاءة ممكنة. ومع ذلك، تتطلب إعدادات MPPT التقليدية عادةً بطاريات أو أجهزة تحكم إلكترونية إضافية لتخفيف التقلبات في تدفق الطاقة. تضيف هذه المكونات الإضافية تكلفة وتعقيدًا هندسيًا، مما يجعل نشر أنظمة التمثيل الضوئي الاصطناعي على نطاق واسع أكثر صعوبة. ولمواجهة هذا التحدي، قام فريق بحث في جامعة أوساكا ميتروبوليتان بتطوير نظام أبسط للتمثيل الضوئي الاصطناعي من خلال بناء وظيفة التحكم مباشرة في المحلل الكهربائي. بقيادة البروفيسور المشارك ياسو ماتسوبارا والبروفيسور يوتاكا أماو، وبالعمل مع شركة Iida Group Holdings Co., Ltd، قام الباحثون بدمج إلكتروليت صلب خاص في الجهاز. وبدلاً من الاعتماد على البطاريات وأدوات التحكم الإلكترونية الإضافية للحفاظ على عمل الخلايا الشمسية بكفاءة، يمكن للمحلل الكهربائي الجديد ضبط نفسه تلقائيًا. ويستخدم خصائص المنحل بالكهرباء الصلب لتنظيم سلوكه الكهربائي، مما يسمح له بأداء وظيفة تتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT) دون الحاجة إلى أجهزة إضافية. يحافظ المحلل الكهربائي المستجيب للحرارة على تشغيل إنتاج الوقود الشمسي بكفاءة. ووفقًا للبروفيسور أماو، يستجيب النظام تلقائيًا للتغيرات في ضوء الشمس دون الحاجة إلى ضوابط خارجية. مع ارتفاع كثافة الطاقة الشمسية، يسخن المحلل الكهربائي، مما يقلل من مقاومته الكهربائية ويسمح للكهرباء بالتدفق بسهولة أكبر. تمكن هذه الاستجابة المدمجة الجهاز من ضبط سلوكه الكهربائي والحفاظ على التشغيل الفعال. وأضاف أماو أن آلية التنظيم الذاتي المدمجة تساعد في الحفاظ على إنتاج وقود أكثر اتساقًا طوال اليوم مع تقليل الحاجة إلى البطاريات والأجهزة الخارجية الأخرى باهظة الثمن. ومن خلال التكيف تلقائيًا مع الظروف المتغيرة، يعمل النظام أيضًا على تبسيط التصميم العام. ولتوضيح هذا المفهوم، اختبر الباحثون نموذجًا أوليًا مزودًا بالتقنية الجديدة تحت ضوء الشمس الحقيقي في الهواء الطلق. كان الجهاز قادرًا على تحويل الماء وثاني أكسيد الكربون بشكل مستمر إلى حمض الفورميك، والحفاظ على أداء مستقر حتى مع تغير شدة ضوء الشمس. وأشار الباحثون كذلك إلى أن التكنولوجيا أثبتت بالفعل إمكاناتها العملية في بيئة العالم الحقيقي. وفقًا للفريق، أنتج النظام ما يكفي من حمض الفورميك لتشغيل ديوراما مصغرة معروضة في الجناح، مما يوضح كيف يمكن لنظام التمثيل الضوئي الاصطناعي الفعال أن ينتج يومًا ما الطاقة النظيفة ويخزنها لاستخدامها في التطبيقات المنزلية.
تم النشر: 2026-06-14 22:43:00
