پژوهشگران ژاپنی سامانه جدیدی برای فتوسنتز مصنوعی توسعه دادهاند که میتواند انرژی خورشیدی را حتی در نور کم و نور متغیر به سوخت تبدیل کند.
به گزارش سرویس انرژی تکناک، این پژوهشگران از دانشگاه اوزاکا متروپولیتن موفق شدهاند این سامانه را برای تبدیل دیاکسید کربن و آب به اسید فرمیک طراحی کنند، که عملکرد پایدارتری از نمونههای متداول دارد. این سامانه با الهام از فرایند طبیعی فتوسنتز در گیاهان ساخته شده است و میتواند در طول روز، حتی زمانی که شدت تابش خورشید تغییر میکند، به تولید سوخت ادامه دهد.
در سالهای اخیر، ذخیره انرژی خورشیدی به یکی از مهمترین چالشهای صنعت انرژی تبدیل شده است. بیشتر سامانههای خورشیدی، برق تولیدشده را در باتریها ذخیره میکنند، اما این روش با محدودیتهایی مانند هزینه بالا، کاهش ظرفیت در طول زمان و نیاز به زیرساختهای پیچیده همراه است. به همین دلیل پژوهشگران در سراسر جهان به دنبال روشهایی هستند که انرژی خورشیدی را مستقیما به سوخت شیمیایی تبدیل کنند.
سامانه جدید دانشگاه اوزاکا دقیقاً با همین هدف توسعه یافته است. این فناوری از پنلهای خورشیدی برای تولید برق استفاده میکند، اما به جای ارسال انرژی به باتری، برق تولیدشده را به صورت مستقیم به یک الکترولایزر انتقال میدهد. الکترولایزر با استفاده از این انرژی، واکنشهای شیمیایی لازم برای تبدیل آب و دیاکسید کربن به اسید فرمیک را انجام میدهد.
اسید فرمیک یکی از مواد شیمیایی مهم در حوزه انرژیهای پاک به حساب میآید. این ماده میتواند به عنوان حامل هیدروژن مورد استفاده قرار گیرد و در آینده به ذخیرهسازی و انتقال انرژی کمک کند. همچنین تولید این ماده از دیاکسید کربن، راهی برای استفاده مجدد از گازهای گلخانهای محسوب میشود.
یکی از مشکلات اصلی سامانههای فتوسنتز مصنوعی خورشیدی، نوسان دائمی شدت نور خورشید است. ابرها، تغییر زاویه تابش و شرایط آبوهوایی باعث میشوند توان خروجی پنلها به طور مداوم تغییر کند. این نوسانات روی عملکرد الکترولایزر نیز اثر مستقیم دارند، چرا که سرعت واکنشهای شیمیایی به جریان و ولتاژ ورودی وابسته است.
در سامانههای متداول فتوسنتز مصنوعی، برای حل این مشکل از فناوری MPPT یا ردیابی نقطه حداکثر توان استفاده میشود. این فناوری به کمک کنترلرهای الکترونیکی و گاهی باتریها، شرایط کاری پنل خورشیدی را به گونهای تنظیم میکند که با بیشترین توان ممکن استخراج شود. با وجود مزایای فراوان، استفاده از این تجهیزات باعث افزایش هزینه، پیچیدگی و مصرف انرژی میشود.
پژوهشگران ژاپنی در پروژه جدید خود تصمیم گرفتند راهکار متفاوتی را امتحان کنند. آنها الکترولایزری طراحی کردند که بخشی از وظیفه تنظیم توان را به صورت ذاتی انجام میدهد. در مرکز این سامانه، یک الکترولیت حالت جامد ویژه قرار دارد که مقاومت یونی آن با افزایش دما کاهش پیدا میکند.
زمانی که نور خورشید قویتر میشود، پنل خورشیدی برق بیشتری تولید میکند و در نتیجه دمای الکترولایزر افزایش مییابد. با بالا رفتن دما، مقاومت داخلی الکترولیت کاهش پیدا میکند و جریان بیشتری از سامانه عبور مینماید. در مقابل، هنگامی که شدت نور کاهش مییابد، دمای سامانه نیز افت میکند و جریان عبوری کمتر میشود. این فرایند باعث میشود که سامانه به صورت خودکار خود را با شرایط محیطی تطبیق دهد.
پژوهشگران این مکانیزم را «ردیابی شیمیایی نقطه حداکثر توان» یا Chemical MPPT نامیدهاند. برخلاف سامانههای سنتی که به تجهیزات الکترونیکی مجزا نیاز دارند، در این فناوری بخش مهمی از تنظیم توان در خود ساختار الکترولایزر انجام میشود.
همچنین این سامانه فتوسنتز مصنوعی به پمپهای کممصرف مجهز شده است، که میزان جریان عبوری از الکترولایزر را پایش میکنند. کنترلر سامانه با توجه به سرعت واکنشهای شیمیایی، دبی آب و مواد واکنشدهنده را تنظیم میکند. این قابلیت باعث میشود غلظت اسید فرمیک تولیدشده در طول روز تقریباً ثابت باقی بماند و کیفیت محصول نهایی حفظ شود.
به گفته پژوهشگران، نوآوری اصلی این پروژه در اختراع فتوسنتز مصنوعی یا تولید اسید فرمیک نیست، چرا که این فناوریها پیش از این نیز وجود داشتهاند. نقطه تمایز این سامانه، ادغام قابلیت تنظیم توان در ساختار الکترولایزر و کاهش نیاز به تجهیزات کمکی است.
این فناوری هنوز در مرحله اثبات مفهوم قرار دارد و برای ورود به کاربردهای صنعتی به آزمایشهای بیشتری نیاز خواهد داشت. دوام طولانیمدت الکترولایزر، عملکرد در شرایط آبوهوایی مختلف و مدیریت جریانهای بالا از جمله چالشهایی هستند که در مراحل بعدی توسعه باید بررسی شوند.
با وجود این، نتایج اولیه نشان میدهد که این فناوری میتواند مسیر توسعه سامانههای خورشیدی سادهتر، ارزانتر و مستقلتر را هموار کند. اگر این رویکرد در مقیاس صنعتی موفق عمل کند، میتواند در آینده برای تولید سوختهای پاک، استفاده مجدد از دیاکسید کربن و ذخیرهسازی انرژی خورشیدی در قالب سوختهای مایع نقش مهمی ایفا کند.
