البناء الضوئي الصنعي ثورة صناعية جديدة
Dr. Tarek Kabil
يعد اختراع أنظمة تحوّل الماء وضوء الشمس بكفاءة إلى طاقة رخيصة ونظيفة من أكبر التحديات العلمية بصورة عامة، ومن أصعب التحديات الكيميائية على وجه الخصوص. وإذا تأملت نباتاً يمتص أشعة الشمس، فمن الصعب ألا يعتريك شيء من الدهشة والاستغراب؛ فهذه النباتات القابعة في أمكنتها تستخلص كميات هائلة من الوقود من ضوء الشمس يوماً بعد آخر، ولا تخرج أي مخلف غير مرغوب فيه على الإطلاق، بل تمنحنا الأكسجين الذي تحتاج إليه جميع الكائنات.
وبمقارنة هذه العملية المعجزة بتقنيات تصنيع الوقود الحالية، نجد أن الأخيرة ينتج عنها خلل بيئيء كبير فنحن ننزع الفحم والنفط والغاز من باطن الأرض ونحرقهما لننتج كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون تلوث هواءنا، وترفع حرارة كوكبنا، وتهدد المنظومة البيئية على الكرة الأرضية.
و تظهر البحوث الحديثة في هذا المجال أن محاكاة معجزة البناء الضوئي الطبيعي التي شكلت حدثاً مهماً في بدء واستمرار الحياة على الأرض هي عملية بالغة الصعوبة؛ فحاليا، وبعد 5.2 مليار سنة من نشأة الحياة، ما زال العقل البشري يناضل بكل ما أوتي من قوة وتراكم معرفي لمحاكاة هذه المعجزة الإلهية في المختبر، محاولاً إيجاد مصدر جديد للطاقة لا ينضب ليحل مشكلات العالم المزمنة. لكن إذا نجح العلماء في إيجاد طريقة لإجراء بناء ضوئي صنعي (اصطناعي) فإن ذلك سيجعل من الممكن تسخير ضوء الشمس لإنتاج كميات غير محدودة من الكهرباء أو الهدروجين أو غيره من أصناف الوقود الغنية بالطاقة من الماء بصورة نظيفة وبتكلفة زهيدة، ويمكن لزجاجة واحدة من مياه الشرب أن توفر ما يكفي من الطاقة لأسرة بكاملها في العالم النامي إذا تم تطوير التقانات الحديثة في هذا المجال.
محولة تكرار عملية طبيعية
البناء الضوئي الصنعي هو محاولة تكرار العملية الطبيعية للبناء الضوئي، وتحويل ضوء الشمس إلى الماء وثاني أكسيد الكربون أو إلى الكربوهدرات والأكسجين. وفي بعض الأحيان، تحليل الماء إلى الهدروجين والأكسجين باستخدام أشعة الشمس. وعملية التأكسد الضوئي هي العملية الفعلية التي تسمح بنصف التفاعل الضوئي، وهو تفاعل يعد ضرورياً لفصل جزيئات الماء لأنه يفصل أيونات الهدروجين والأكسجين. ونحن بحاجة إلى هذه الأيونات لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود. ومع ذلك، فإن الطريقة الوحيدة المعروفة هي استخدام عامل مساعد أو محفز خارجي، وهو عامل يمكنه أن يكون قادراً على العمل بسرعة وكذلك باستمرار لامتصاص أشعة الشمس ممثلة بالفوتونات.
ويجري البحث عن عامل محفز يمكنه تحويل المياه، وثاني أكسيد الكربون، وأشعة الشمس إلى كربوهدرات. والعوامل المحفزة المحولة للكربوهدرات التي تستخدم في الطبيعة هي إنزيمات الهدروجينيز (نازعة الهدروجين). والعوامل المحفزة التي ابتكرها المهندسون حتى الآن هي عوامل تحاكي دور إنزيمات الهدروجينيز وتشمل ذرة الروديوم والكوبالت.
وإذا كان البحار (باباي) يتغذى على وجبة واحدة من السبانخ المعلبة فتعطيه القوة لمواجهة الصعاب في أفلام الكرتون، فإنه في الواقع قدم خدمة كبيرة للإنسانية ساعدت على محاكاة معجزة التخليق الضوئي التي شكلت حدثاً مهماً في استمرار الحياة على الأرض؛ فقد توصل فريق من المجمع العلمي الملكي بلندن بقيادة (جيم باربر) و(سو إيواتا) في شهر يونيو 2004 إلى اكتشاف اعتبره بعض الباحثين الإنجاز الحاسم الذي طال انتظاره؛ فلقد وضع العلماء أيديهم على اكتشاف الآلية الكيميائية لانشطار الماء أثناء عملية التخليق الضوئي. واعتبر العلماء أن هذا الاكتشاف يمثل إنجازاً مهماً يفتح الباب على مصراعيه لمزيد من الاكتشافات التي من شأنها فك خيوط لغز البناء الضوئي.
وحديثاً اكتشف العلماء طريقة طبيعية جديدة لتحويل ضوء الشمس إلى وقود حيوي ومواد كيميائية مفيدة عن طريق عكس عملية البناء الضوئي الطبيعية التي تقوم بها النباتات. وقد تؤسس هذه الطريقة الطبيعية لثورة صناعية جديدة فى مجال صناعة الوقود الحيوي والبلاستيك والمنتجات الصناعية الأخرى. ويعني هذا الاكتشاف أنه يمكن للمصانع زيادة سرعة إنتاج الوقود الحيوي والمواد الكيميائية الحيوية – مثل البلاستيك – تحت درجات حرارة منخفضة مع تعزيز كفاءة الطاقة وتقليل التلوث. لكن الأمر يحتاج إلى عمل دؤوب للتوصل إلى كيفية الاستفادة من هذه الفكرة بصورة عملية على مستوى الحياة اليومية.
في هذا الملف الخاص بالاكتشافات الحديثة في مجال البناء الضوئى الصنعي، سنناقش أهم الطرق المستحدثة لاستغلال هذه الطاقة المتجددة، وسنطرح الأفكار التي تحاول توظيفها في الصناعة بطرق إبداعية تدمج بين علوم الأحياء والكيمياء والفيزياء والهندسة الكهربائية، وغيرها من العلوم الحديثة لتحقيق حلم البشرية في الحصول على طاقة آمنة، ومستمرة لا تنضب، ولا تلوث الطبيعة.
معجزة البناء الضوئي الطبيعي
ينظر العلماء إلى الأوراق النباتية الخضراء باعتبارها المصانع الكيميائية الأكثر إثارة للإعجاب والإبهار، ففيها تجري العملية الحيوية الأكثر تعقيداً وأهمية لاستمرار الحياة على الأرض، والتي تُعرَف بالبناء (التمثيل) الضوئي، ويمكن تلخيصها في أنها تؤدي إلى إنتاج سكر الغلوكوز من غاز ثاني أكسيد الكربون والماء في وجود مادة الكلوروفيل.
وتتميز النباتات الخضراء والطحالب وبعض أصناف الكائنات الدقيقة بقدرتها على تحويل طاقة الشمس إلى طاقة كيميائية بكفاءة عالية. وتمتلك النباتات آلية معقدة للبناء الضوئي، تستهدف في النهاية تخزين الطاقة الضوئية الشمسية ضمن الروابط الكيميائية التي تربط ذرات الكربون والأكسجين والهدروجين. وتعتبر عملية البناء الضوئي أنجح آلية في العالم لتحويل طاقة الشمس إلى جزيئات سكر.
والبناء الضوئي هو عملية تخليق الغلوكوز عن طريق استخدام ضوء الشمس وثاني أكسيد الكربون والماء، وإنتاج الأكسجين كناتج ثانوي عن التفاعل. وهي عملية بيولوجية مهمة تؤثر في حياة جميع المخلوقات الحية، وهي المصدر الرئيسي لتكوين الأكسجين، كما تستعمل نواتج البناء الضوئي المباشرة في تصنيع مركبات عضوية أخرى تدخل في تكوين الأحماض النووية، والدهنيات، والبروتينات، والهرمونات، وغيرها. وهي عملية كيميائية معقدة تحدث في خلايا البكتريا الزرقاء أو في الكلوروبلاست في كل من الطحالب والنباتات العليا؛ حيث يتم فيها تحويل الطاقة الضوئية الشمسية من طاقة كهرومغنطيسية على شكل فوتونات أشعة الشمس إلى طاقة كيميائية تخزن في روابط سكر الغلوكوز. ومن أهم نواتج هذه العملية الأكسجين ومركبات سكرية تحتوي على طاقة عالية.
عملية البناء الضوئي
تبدأ عملية البناء الضوئي بسقوط الضوء على مجموعة من الخلايا النباتية المتجاورة مكونة لنظام ضوئي داخل البلاستيدات الخضراء. وعندما تسقط فوتونات الضوء على الكلوروفيل يصطدم الفوتون بإلكترون من إلكترونات الكلوروفيل، وعندها يصبح الإلكترون في حالة تهيج ويقفز من مداره الأصلي، وهذه حالة غير ثابتة، فيميل للعودة الى مداره الأصلي (خلال جزء من الثانية). وأثناء عودته يطلق الطاقة التي اكتسبها، ويمكن أن تنطلق طاقة الإلكترون على تسيير تفاعل كيميائي. وتختزن الطاقة الكيميائية في المركبات العضوية الغنية بالطاقة خاصة الأدينوسين الثلاثي الفوسفات ATP، ويستغل جزء من الطاقة الضوئية المنتقلة من الإلكترونات في شطر جزيئات الماء إلى أيونات الهدروجين وأيونات الأكسجين. ويدخل أيون الهدروجين في العمليات الحيوية التالية، وينطلق الأكسجين الناتج من الماء المشطور.
ويعتقد أن عملية البناء الضوئي الطبيعي هي أهم العمليات الحيوية على الإطلاق؛ فهي العملية الأساسية في اختزان طاقة الشمس على شكل طاقة كيميائية ضمن جزيئات الغلوكوز، وفي الوقت نفسه يقوم النبات أثناء هذه العملية باستغلال أشعة الشمس لفصل الهدروجين عن الأكسجين في ذرات المياه لتوليد إلكترونات يستخدمها في تكوين سكريات تساعده على النمو.
وتعتبر النباتات من أكفأ الأنظمة في توليد الطاقة النظيفة من الطاقة الشمسية بكفاءة تصل إلى %100، لكن لا يتم الاستفادة إلا من جزء ضئيل فقط من هذه الطاقة. واستغلال هذا النظام في توليد الكهرباء سيسهم في رفع كفاءة الألواح الشمسية التي تعمل حالياً بطاقة لا تتعدى %12 إلى %17 (وصلت مختبرياً إلى %40 في بعض الأبحاث الحديثة).
ويمثل تفاعل انقسام جزيئات الماء في وجود الضوء إلى أيونات أكسجين وهدروجين وإلكترونات نبض عملية التخليق الضوئي. ويشكل هذا التفاعل الحاسم لشطر جزيئات الماء لغزاً محيراً؛ لأن الطاقة اللازمة لشطر جزيء الماء تفوق الحد الكافي لتدمير أي جزيء بيولوجي، ومع ذلك فإن النباتات تقوم بذلك طوال النهار يومياً دون أي تأثير جانبي. وبالمحصلة الإجمالية يحول الضوء كل جزيئي ماء إلى جزيء أكسجين وأربعة إلكترونات وأربع أيونات هدروجين.
إعادة ابتكار البناء الضوئي
هناك نهج واعد يقوم على البناء الضوئي الصنعي، الذي يستخدم مواد غير بيولوجية لإنتاج الوقود من ضوء الشمس مباشرة. ويجمع البناء الضوئي الصنعي مزايا البناء الضوئي الطبيعي في تكنولوجيا قابلة للتطبيق, وتعد بأمن الطاقة والاستدامة البيئية والاستقرار الاقتصادي. وبينما يزودنا البناء الضوئي الطبيعي بمخطط معقد أنيق لإنتاج أشكال الوقود الكيميائي من ضوء الشمس، فإن حدودا كبيرة تقيد أداءه. فمن المعروف أن نحو %10 فقط من ذروة الطاقة الشمسية تستخدم فعلياً ولا تتجاوز كفاءة صافي تحويل الطاقة السنوي %1، وتُختزَن الطاقة في أشكال الوقود الكيميائي غير المتوافقة مع أنظمة الطاقة القائمة. كما يمكن الجمع بين تكنولوجيات الطاقة القائمة بالفعل لتوليد الوقود الكيميائي بكفاءة ولو بصورة غير مباشرة من ضوء الشمس.
وأظهر البناء الضوئي الصنعي، المستلهم من البديل الطبيعي، إمكانية للأداء المتفوق، فهو يوفر الطاقة في شكل يمكن استخدامه في بنية الطاقة الأساسية الحالية. إضافة إلى ذلك فإن النظام الصنعي بالكامل لا يتطلب استخدام الأراضي الصالحة للزراعة أو المياه الصالحة للشرب، ولن يرغمنا على الاختيار بين إنتاج الغذاء أو الوقود في استخدام الأراضي.
من الممكن أن تكون الكفاءة الإجمالية للأنظمة المتكاملة لتحويل ضوء الشمس إلى وقود أكثر بنحو عشر مرات من معظم الأنظمة البيولوجية التي تتسم بالكفاءة في استخدام الطاقة، لكن تكاليف رأس المال أعلى من أن تسمح بالانتشار التجاري. وعلى هذا فإن الأولوية القصوى للباحثين لا بد أن تتلخص في تطوير مولد للوقود الشمسي يجمع بين القابلية للتطوير والجدوى الاقتصادية والقوة والكفاءة.
يحاول البناء الضوئي الصنعي تكرار العملية الطبيعية للتخليق الضوئي، وتحويل ضوء الشمس إلى الماء، وثاني أكسيد الكربون أو إلى الكربوهدرات والأكسجين، وفي بعض الأحيان، تحليل الماء إلى الهدروجين والأكسجين باستخدام أشعة الشمس، وهي عملية التأكسد الضوئي الفعلية التي تقوم بنصف التفاعل الضوئي. هذا التفاعل يعد ضرورياً لفصل جزيئات الماء لأنه يفصل أيونات الهدروجين والأكسجين. ونحن بحاجة إلى هذه الأيونات لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود باستخدام عامل مساعد، وهو عامل يمكنه أن يكون قادراً على العمل بسرعة وكذلك باستمرار لامتصاص أشعة الشمس ممثلة بالفوتونات.
القالب المتصور لنظام البناء الضوئي الصنعي ليس لوحة شمسية متصلة بوحدة للتحليل الكهربائي، وإنما لفافة رقيقة من طبقات بلاستيكية أشبه بالنسيج القماشي العالي الأداء الموجود في سترة المطر، الذي يمكن بسطه وطيه حسب الحاجة. وتمتص المواد العلوية المياه وثاني أكسيد الكربون من الجو، أما الطبقة التالية الممتصة للضوء فستسخر طاقة الشمس لإنتاج الوقود. ومن خلال فصله عن طريق الغشاء فإن الوقود لن يتسرب إلى الهواء لكنه بدلاً من ذلك يتقاطر عبر الجزء السفلي من المواد إلى صهريج تجميع لاستخدامه حسب الطلب كمصدر الطاقة.
طاقة كهربائية من السبانخ!
(باباي) بحار شجاع لا يستسلم أبدا للظروف الصعبة التي تواجهه، وبفضل تناوله للسبانخ المعلبة التي يحملها دائما في جيبه يستطيع التغلب على أي خطر يهدده! كانت هذه الرؤية الكرتونية المبكرة للترويج لفوائد نبات السبانخ بين الأطفال، لكن لم يدر في خلد مبتكر الشخصية الكرتونية الشهيرة التي ظهرت تحديداً عام 1929 أن استخدامات السبانخ قد تتخطى الأفكار التقليدية من فوائد صحية وتجميلية؛ لتصل إلى أهم الاستخدامات التقنية المعقدة في العصر الحديث، وتقود ثورات طبية وتكنولوجية معقدة سيكون لها دوي هائل في القريب العاجل.
تقوم وزارة الطاقة الأمريكية بالتعاون مع جامعة جنوب كاليفورنيا بإجراء بحوث لإنتاج خلية شمسية من السبانخ على شكل رقاقة (شريحة) تستخدم لإمداد الأجهزة المحمولة كالهواتف بالطاقة الناتجة من كلوروفيل أو يخضور السبانخ، حيث يستفاد من قدرة النبات على استخدام أشعة الشمس لإنتاج الطاقة.
ونجح العلماء الأمريكيون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة تينيسي ومختبرات البحرية الأمريكية في العاصمة واشنطن في تصنيع أول جهاز في العالم يسمى (خلية البناء الضوئي في الحالة الصلبة)، وهو عبارة عن خلية كهربائية أنتجت عن طريق محاكاة عملية التخليق الضوئي في أوراق نبات السبانخ، وتعمل هذه الخلية على تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء.
وتأتي هذه الدراسات لتحقق رؤية صعبة المنال طالما راودت مخيلة العلماء، وتجاوز الباحثون أول عقبة في طريق التكامل بين البروتين الجزيئي المعقد وجهاز إلكتروني يعمل في الحالة الصلبة.
ولقد حاول العلماء محاكاة التخليق الضوئي في النبات لابتكار جهاز إلكتروني لإنتاج الطاقة الكهربائية، لكن تجاربهم باءت بالفشل؛ لأن الخلايا الحية والمواد البيولوجية تحتاج إلى الماء والأملاح، في حين أن هذه المواد تدمر الأجهزة الإلكترونية الكهربائية. وللتغلب على هذه المشكلة قام العلماء بتخليق ببتيد يثبت المركبات البروتينية على السطوح الخشنة الباردة ويتماسك مع كميات قليلة من بعض جزيئات الماء.
ومن أجل الحصول على البلاستيدات الخضراء الموجودة في أوراق السبانخ والتي تقوم بعمليات التخليق الضوئي، قام العلماء بطحن أوراق السبانخ وفصل مكوناتها عن طريق استخدام جهاز الطرد المركزي، وتم تنقية البلاستيدات الخضراء وحفظها في حالة ذوبان في الماء. ثم وضعوا البروتينات المعقدة على قطعة رقيقة من الزجاج مغلفة برقاقة من الذهب ومغطاة بمادة من أشباه الموصلات، ثم بطبقة أخرى من المعدن. وتم اختبار النموذج الأول للرقاقة عن طريق تعريضه لشعاع من الليزر لاختبار نظرية العمل.
ووجد العلماء أن الرقاقة تحول %12 من الضوء إلى شحنات كهربائية؛ لأن الشريحة مغطاة بطبقة رقيقة من المركبات الكيميائية. ويحاول العلماء تحقيق نسبة تحويل للطاقة تصل إلى %20 أو أكثر عن طريق وضع عدة طبقات من المركبات الكيميائية فوق بعضها في تراكب ثلاثي الأبعاد لزيادة مساحة السطح المعرض للضوء. ويجري العلماء تجارب لإطالة عمر الرقاقة لاستخدامها في التطبيقات العملية؛ لأن البيبتيد المستخدم يحفظ البروتينات المركبة مدة ثلاثة أسابيع فقط حتى الآن.
وابتكر باحثون في جامعة جورجيا الأمريكية أسلوباً جديداً لالتقاط تلك الطاقة البسيطة من النبات قبل تحولها إلى غذاء بداخله. حيث يتم تحويل كل فوتون يستقبله النبات إلى إلكترون نتيجة تفكيك الماء إلى أكسجين وهدروجين. ويستخدم الإلكترون لاحقاً في تركيب السكر والغذاء اللازم للحياة. يعتمد هذا الأسلوب على تكنولوجيا تعترض طريق البروتينات داخل الثايلاكويدات — وهي أغشية لالتقاط الطاقة الشمسية وتخزينها — ليتمكن النبات من إجراء التفاعلات الكيميائية داخله على أساس الضوء، ثم تلتقط الإلكترونات الناتجة، وترسلها داخل سلك عبر أنابيب دقيقة من الكربون. وعلى الرغم من أن الطاقة الناتجة تعتبر بسيطة، إذ لا تتعدى استعمال أجهزة كهربائية محمولة، فإن الباحثين يؤكدون أن هذا الأسلوب يمكن تطويره إضافة إلى تطوير الأجهزة ليمكن استغلاله تجارياً.
خلايا شمسية تحاكي خلايا النبات
تحاول الباحثة الألمانية آثينا زوني تقليد النباتات في إنتاج الطاقة، عن طريق مراقبتها عمليات التمثيل الضوئي الكلوروفيلي في طحالب تتكاثر في مزرعة طبيعية. وهي تشرف على بحوث لتقليد تلك الآلية الطبيعيّة بواسطة استخدام توليفة ضوئيّة صنعية. واستعملت زوني تقنيات الحاسوب كي تتوصّل إلى محاكاة افتراضيّة لجزيء بروتين صنعي يماثل تلك التي تنهض بعمليّة التمثيل الضوئي الكلوروفيلي في الطحالب. ولا يزال الأفق مفتوحاً أمام ذلك المسار الواعد في الطاقة النظيفة المتجدّدة.
ومن ناحية أخرى، كشف باحثون عن خلايا شمسية عضوية جديدة قابلة لإعادة التدوير وذات كفاءة عالية وهي مصنوعة من الأشجار. قام بهذا العمل فريق من مركز الضوئيات والإلكترونيات العضوية في معهد جورجيا للتكنولوجيا، بالتعاون مع باحثين من جامعة بوردو الأمريكية. تصنع هذه الخلايا الشمسية من البوليمر المعتمد على ركائز السليلوز النانوية لإنشاء خلايا شمسية أكثر استدامة، وفي الوقت نفسه يمكن إعادة تدويرها بسرعة في الماء في درجة حرارة الغرفة. ومن المعروف أن الخلايا الشمسية العضوية يتم تصنيعها باستخدام الزجاج أو البلاستيك أو عن طريق استخدام ركائز معتمدة على المشتقات البترولية، لذا يمكن اعتبار هذه الخلية الشمسية هي الخلية العضوية الأولى التي يتم إعادة تدويرها بصورة كاملة، ويحتمل أن تكون هذه الطريقة طريقة تدوير مستدامة.
وتتميز جزيئات البوليمير المعتمدة على ركائز السليلوز النانوية التي تصنع عن طريقها هذه الخلايا الشمسية بأنها شفافة بصرياً (مثل ورقة النبات) التي تتيح تمرير الضوء من خلالها، ليتم امتصاصه بواسطة طبقة رقيقة جداً من أشباه الموصلات العضوية. ويصل معدل كفاءة التحويل الحالية للخلايا الشمسية المعتمدة على ركائز السليلوز النانوية التي تحاكي الخلايا النباتية إلى %2.7، وقد يبدو هذا المعدل مخيباً للآمال، إلا أن الفريق البحثي وصف هذا العمل بأنه غير مسبوق بالنسبة للخلايا المعتمدة على ركائز مستمدة من المواد الخام المتجددة.
ورقة نبات صناعية
بدأ العلماء في البحث عن بديل صناعي لأوراق النباتات من أجل الحصول على الأكسجين الضروري لحياة الكائنات الحية دون استثناء. وأول ورقة بيولوجية صناعية كبديل لأوراق النبات الطبيعي، عرضها جوليان ميلتشوري، وهي مصنوعة من بروتينات الحرير مع طبقات كلوروفيل طبيعية، وهي المسؤولة عن عملية التركيب الضوئي في النبات. وتتضمن ورقة النبات الصناعي «البلاستيدات» الخضراء، أهم عناصر الخلايا النباتية المسؤولة عن عملية التركيب الضوئي، معلقة داخل جسم مصنوع من بروتين الحرير الطبيعي. وتحتاج هذه الورقة الى قليل من الضوء والماء لتبدأ بإنتاج الأكسجين تماما كالأوراق الطبيعية. ويقول صاحب الابتكار «أخذت طبقة الكلوروفيل من الخلايا النباتية ووضعتها داخل القماش الحريري. كانت فكرتي تكمن في استخدام عمل الطبيعة في ظروف البيئة السيئة التي سببها النشاط البشري».
أما البروتين فقد استخلصه من ألياف الحرير الطبيعي وحوّله الى بنية معقدة، وضع فيها الكلوروفيل. ويضيف المخترع مفتخراً: «في النهاية حصلت على أول مادة تحاكي أوراق الشجر الطبيعية في قدرتها على التنفس والتمثيل الضوئي». ويقول جوليان إنه يمكن استخدام اختراعه في مجالات مختلفة، من عناصر ديكور تحسن الجو في الغرف والقاعات، إلى المركبات الفضائية لتوليد الأكسجين وقد يكون الابتكار مفيدا في تكنولوجيا التهوية.
وفضلاً عن المستقبل الواعد لهذا الابتكار في عالم الفضاء، يرى ميلكيوري فرصة قوية لانتشار أوراقه الصناعية على كوكب الأرض لتعويض تراجع المساحات الخضراء والغابات في العديد من دول العالم.
وتوصل العلماء إلى ورقة نبات صناعية، تحاكي في عملها ورق النبات الحقيقي، حيث تحاكي عمليات التمثيل الضوئي، وتحقق أقصى استفادة من الشمس والمياه، كما أنها علامة فارقة في مجال الطاقة الدائمة. تعتمد التقنية المبتكرة على فكرة أن الماء ينقسم إلى هدروجين وأكسجين، حيث تقوم تلك الورقة المصنعة بجمع ضوء الشمس بين زوج من الأكياس البلاستيكية لتوليد الاكسجين وغاز الهيدروجين، وعند هبوطها في وعاء من الماء تحت تأثير ضوء الشمس فإنها تخرج فقاعات وتفرج عن غاز الهدروجين، هذا الغاز الذي يمكن استخدامه في خلايا الوقود لتوليد الكهرباء.
وهناك تخوف من التكاليف الباهظة في تصميم الورقة المصنعة التي تعتمد على عناصر ومعادن نادرة وغالية كالبلاتين الذي يحفز غاز الهدروجين إضافة إلى عمليات التحويل داخل الورقة. وقد توصل العالم (نوكيرا) إلى فكرة توفر للجهاز انتشارا واسع النطاق؛ فقد استعاض عن البلاتين كمحفز لإنتاج غاز الهدروجين، بمركب من النيكل والموليبدينوم والزنك لتحفيز إنتاج الغاز، وتلك المركبات أقل تكلفة، إضافة إلى أن عنصر الكوبالت الذي يحفز غاز الأكسجين متوفر في الأرض وليس مكلفا أو نادرا.
وأنتج باحثون أمريكيون ورقة شجر صناعية تستطيع توليد الأكسجين وغاز الهدروجين بشكل نقي جداً بالاعتماد الكلي على الطاقة الشمسية فقط. ويأمل القائمون على المشروع أن يساعدهم على توليد الطاقة وربما أيضاً إنتاج الماء من دمج الأكسجين والهدروجين معاً لقدرة ورقة الشجر الصناعية على تخزين هذين الغازين على شكل خلايا وقود يستفاد منها وقت الحاجة.
ومن مزايا الاختراع أنه ينتج الطاقة النظيفة بأقل مجهود من الإنسان، ويحقق استفادة من الطاقة الشمسية المهدرة فى الدول النامية، ويشكل أملاً جديداً لساكني المناطق النائية والدول النامية فى الحصول على الطاقة الكهربائية.
الورقة البيونية
انضمَّ الكيميائي في جامعة هارفرد دانيال نوسيرا وفريقه البحثي إلى عالمة الأحياء التركيبية من كلية الطب في جامعة هارفرد باميلا سيلفر وفريقها البحثي، وذلك لصنع نوع من البطاريات الحية المسماة بالورقة النباتية البيونية (الإلكتروحيوية) لخلطها الأحياء بالتقنية. وتستخدم الآلة كهرباء الطاقة الشمسية القادمة من الألواح الكهروضوئية لإمداد العمليات الكيميائية بالطاقة، والتي تقسم جزيء الماء إلى أكسجين وهدروجين، والذي يُضاف إلى ميكروبات جائعة مسبقا لتأكل الهدروجين وتحول غاز ثاني أُكسيد الكربون في الهواء إلى وقود كحولي.
ضخ أول جهاز بناء ضوئي صنعي للفريق نحو 216 مليغراماً من الوقود الكحولي لكل لتر من الماء، وظهر عام 2015. ولكن كان لمُحفِّزات النيكل والملبيديوم والزنك – التي اعتمد عليها العلماء في شطر الماء إلى هدروجين وأكسجين – أثر جانبي مؤسف، وهو تسميم الميكروبات. لذلك انطلق الفريق للبحث عن عامل محفِّز أفضل يقسم جزيئات الماء بصورة فعَّالة ويحافظ على المخلوقات الحيّة المجهرية في الوقت نفسه.
وجد الفريق العامل المُحفِّز المنشود في خليط معدني من الكوبالت والفسفور، وهو مزيج مستخدم بالفعل كغلاف مضاد للتآكل للبلاستيك والقطع المعدنية، موجود في كل الأشياء من الصنابير إلى ألواح الدارات الكهربائية. يستطيع هذا العامل المحفز بشحنة صغيرة تجميع نفسه من محلول من الماء، والكوبالت، والفوسفات. والفوسفات في الماء يعتبر شيئاً جيداً للمخلوقات الحية كنوع مغاير من بكتيريا التربة المهندسة وراثياً رالستونيا إيوتروفا Ralstonia eutropha، التي تشكل النصف الخلفي من الورقة البيونية. فلو أجريت تياراً كهربائياً في هذا المحلول من الآلة الكهروضوئية بجهد كهربائي عال بما يكفي سينقسم جزيء الماء. يعد هذا الجهد أعلى مما هو ضروري لترسيب الكوبالت خارج المحلول وتكوين محفز فوسفايد الكوبالت. مما يعني أنه سيكون هنالك دائماً ما يكفي من الإلكترونات في الجوار للتسبب في تكون العامل المحفز عندما تعمل الورقة البيونية، ومن ثم لن يوجد معدن زائد متبق ليسمم الميكروبات، أو ليوقف عملية انقسام جزيئات الماء في الورقة البيونية. يُشير نوسيرا إلى أن الورقة الصنعية الجديدة، تمكنت من العمل لـ 16 يوماً دونَ توقفٍ قائلاً: «لا يمكنُ أبداً لهذا العامل المحفِّز أن يموت ما دام عاملاً».
هذه ليست المرة الأولى التي يتم فيها استخدام بكتيريا التربة لإنتاج الوقود من الكهرباء بالطاقة الشمسية، لكن العمل الجديد تمثل في أنه أول من وضع ميكروباً فريداً من نوعه مع مادة شاطرة للماء في الغرفة نفسها. وقد يكون هذا الجهاز الجديد الذي يجمع بين الكيمياء وعلم البيولوجيا التخليقية هو المفتاح لمصادر الطاقة المتجددة والمواد الكيميائية، وحتى مكافحة تغير المناخ. ويزعم الباحثون أن مثل هذا النظام الشبيه بالبطارية ربما يتفوق على الأنظمة البيولوجية أو التكنولوجية الصرفة في تحويل أشعة الشمس إلى وقود وإلى جزيئات أخرى مفيدة.
يبشر العمل الجديد أيضاً بالتقدم الهندسي لحلم الوقود الكهربائي والوقود السائل الذي ينتج باستخدام الكهرباء، وهو برنامج مبتكر استمر من 2012-2008 كجزء من مشاريع البحوث المتقدمة لوكالة الطاقة الأمريكية، مما ساعد على إلهام هذا العمل.
ثورة صناعية جديدة
اكتشف العلماء طريقة طبيعية جديدة لتحويل ضوء الشمس إلى وقود حيوي ومواد كيميائية مفيدة، عن طريق عكس عملية البناء الضوئي الطبيعية التي تقوم بها النباتات. وقد تؤسس هذه الطريقة لثورة صناعية جديدة في مجال صناعة الوقود الحيوي والبلاستيك والمنتجات الصناعية الأخرى. ويعني هذا الاكتشاف أنه يمكن للمصانع زيادة سرعة إنتاج الوقود الحيوي والمواد الكيميائية الحيوية مثل البلاستيك تحت درجات حرارة منخفضة مع تعزيز كفاءة الطاقة وتقليل التلوث. لكن الأمر يحتاج إلى كثير من العمل للتوصل إلى كيفية الاستفادة من هذه الفكرة بصورة عملية.
استخدم العلماء مصطلح (البناء الضوئي العكسي) للتعريف بهذه العملية الكيميائية؛ لأنها تستخدم أشعة الشمس والأكسجين المتاح في الغلاف الجوي لإنتاج روابط كربونية بدلاً من إنتاج الأكسجين عن طريق البناء الضوئي، حيث تقوم أشعة الشمس بتحطيم الكتلة الحيوية النباتية بمساعدة أنزيم خاص، لتنتج في النهاية مواد كيميائية يمكن استخدامها لإنتاج الوقود الحيوي فضلا عن استخدامات صناعية أخرى.
كما اكتشف باحثون نوعاً من الفطريات تمتلك آلية طبيعية لعكس عملية البناء الضوئي العادية، وتعتمد هذه العملية على قدرة بعض الفطريات على استخدام عملية البناء الضوئي العكسي للوصول إلى المواد المغذية في النباتات. وطور الباحثون هذه العملية لتحويل السكر والمغذيات الموجودة في النباتات إلى وقود حيوي وبلاستيك. وفي تجربة أولية خلط الباحثون المكونات في أنبوبة اختبار ثم عرضوها للشمس، فتفككت الكتلة الحيوية وأدت إلى تحلل جزيئات السكر الكبيرة ومن ثم تحولها إلى الإيثانول الذي يستخدم كمصدر للطاقة النظيفة. ووجد العلماء أن مثل هذه التفاعلات الكيميائية الحيوية تحتاج عادة ليوم كامل لتنتج الوقود المطلوب، لكن إذا تمت هذه التفاعلات تحت أشعة الشمس، فربما يتم تسريع هذه التفاعلات لتنتهي في أقل وقت ممكن، وقد تنتج الوقود في غضون 10 دقائق مثلاً.
ومقارنة بعملية البناء أو التخليق الضوئي التي تساعد على بناء السكريات المعقدة من أشعة الشمس، فإن عملية البناء الضوئي العكسي تجزئ نفس المواد الكيميائية النباتية للحصول على المزيد من المغذيات الأساسية. وتعتمد هذه العملية على عمليات الأكسدة الضرورية لتحلل الكتلة الحيوية النباتية. ويفسر الباحثون هذه العملية بعملية أكسدة جزيء سكر معقد التركيب عن طريق فئة من الإنزيمات المؤكسدة القوية والموزعة على نطاق واسع، والمعروفة بالإنزيمات المحللة لعديدات السكاريد أحادية الأكسيجنيز، والتي تحلل عديدات السكرايد الأكثر عناداً وصعوبة في الاستجابة للتحلل، وهي تتطلب مانحين للإلكترونات من خارج الخلية. وتوجد هذه الإنزيمات في العديد من الفطريات والبكتيريا، وفي أنواع من الكلوروفيل (أو اليخضور) الناتج من خلاصة الأوراق الخضراء. ويستخدم هذا النوع من الإنزيمات أوكسجين الغلاف الجوي مع أشعة الشمس لكسر وتحويل الروابط الكربونية في النباتات وإنتاج الأكسجين كما يجري في عملية التركيب الضوئي.
ودرس العلماء تأثير استخدام أصباغ البناء الضوئي المثارة كمواد مانحة للإلكترونات خارج الخلية؛ حيث تتحد الإنزيمات مع الأصباغ وتتعرض العوامل المختزلة للضوء، مما يؤدى إلى زيادة لم يسبق لها مثيل في النشاط التحفيزي والتي وصلت إلى 100 ضعف في هذه التجربة. واتسعت خصوصية الركائز (المواد التي تعمل عليها الإنزيمات) لتشمل كلاً من السليلوز والهيميسيلولوز، وهي من السكريات الموجودة في الخلية النباتية، وتشكل مواد أساسية في جدران هذه الخلايا. وتوجد كل هذه المواد الكيميائية ومشتقاتها في بيئة الكائنات المحللة للنباتات، ومن ثم يمكن أن تشكل هذه الطريقة نظماً مدفوعة بالضوء شديدة التفاعل ومستقرة، وتؤدي إلى زيادة معدل دوران الإنزيمات من جهة أخرى.
وقد تجد مثل هذه التقنيات طريقها للتطبيق في مجالات التكنولوجيا الحيوية والمعالجة الكيميائية قريباً؛ نظراً لأهميتها الكبيرة. ويؤكد الباحثون أن هذا الاكتشاف يغير قواعد اللعبة، حيث يمكنه أن يغير الإنتاج الصناعي للوقود والمواد الكيميائية، ومن ثم يحد من التلوث بدرجة كبيرة. لكن لاتزال هذه الطريقة في مراحلها المبكرة، وتتطلب دراسات معمقة للتوصل إلى فهم كامل لكيفية الاستفادة من هذه الطريقة. ويؤكد الباحثون أن هذا الاكتشاف هو واحد من أعظم الاكتشافات في هذا المجال خلال السنوات الأخيرة، لكنه يحتاج للمزيد من التطوير قبل أن يعود بالفائدة على المجتمع بصورة مباشرة، لكن مازالت احتمالاته التطبيقية هي الأعظم منذ عدة سنوات في هذا المجال البحثي المثير.
