الطاقة النظيفة.. المستقبل مع الجرافين

د. هيثم باحيدرة
الاقتصادية - السعودية
تبين أن أحد الأشكال المكتشفة أخيرا من جرافيت الكربون – المادة المستخدمة في الأقلام الرصاص - يحتوي على خاصية غير متوقعة تماما، يمكنها أن تحدث ثورة في تطوير الطاقة الخضراء والسيارات الكهربائية. فقد اكتشف الباحثون أن الجرافين يسمح بمرور ذرات أو بروتونات الهيدروجين موجبة الشحنة من خلاله على الرغم من كونه غير منفذ بالكامل لجميع الغازات الأخرى، بما في ذلك الهيدروجين نفسه.
وقال العلماء "إن الآثار المترتبة على هذا الاكتشاف هائلة، لأنها يمكن أن تزيد بشكل كبير من كفاءة خلايا الوقود التي تولد الكهرباء مباشرة من الهيدروجين". وهذا الاكتشاف يثير احتمال استخراج وقود الهيدروجين من الهواء وحرقه كمصدر طاقة خال من الكربون في خلايا الوقود لإنتاج الكهرباء والماء دون خروج نفايات ضارة.
ويرى البروفيسور السير أندريه جيم من جامعة مانشستر الحاصل على جائزة نوبل في الفيزياء في عام 2010م، أنه "يوجد في الغلاف الجوي قدر معين من الهيدروجين، وهذا الهيدروجين سينفد في نهاية المطاف، بينما المادة الأخرى (الجرافين) ستظل متوافرة. ومن ثم يمكن استخدام هذا المخزون الهيدروجيني المجموع وحرقه في خلية الوقود نفسها لتوليد الكهرباء".
ومنذ اكتشاف الجرافين قبل عشر سنوات وهو يدهش العلماء. وهو أنحف المواد المعروفة، حيث إنه أنحف من شعرة الإنسان مليون مرة، لكنه أقوى أكثر من 200 ضعف من الفولاذ، فضلا عن كونه أفضل موصل للكهرباء في العالم. وحتى وقت قريب لم تكن نفاذيته للبروتونات احتمالا عمليا، ولكن فريقا دوليا من العلماء بقيادة السير أندريه - الذي تقاسم جائزة نوبل عام 2010م عن أبحاثه على الجرافين - أثبت أن هذه المادة الكريستالية التي يبلغ سمكها سمك ذرة واحدة تعمل كمرشح كيميائي. حيث تسمح بمرور البروتونات بحرية، لكنها تشكل حاجزا لا يمكن اختراقه للذرات والجزيئات الأخرى.
وقد تناولت أبحاث علمية التوقعات النظرية لمدى سهولة أو صعوبة مرور البروتون من خلال الجرافين، وأنتجت حساباتها أرقاما تستلزم انقضاء عدة مليارات من السنين حتى يتمكن البروتون من المرور خلال هذا الغشاء نفسه، لأنه عبارة عن حقل إلكتروني كثيف جدا لا يسمح بمرور أي شيء من خلاله. لكنها مسألة أرقام ليس إلا، وهي التي توجد الفرق بين المرور في مليارات السنين وفي فترة زمنية معقولة، وليس في الأمر سحر. حيث تبين الدراسة - التي نشرت في مجلة نيتشر - أن الجرافين - ومادة أخرى مماثلة أحادية الذرة تسمى نيتريد البورون - يسمح بتراكم البروتونات على جانب واحد من الغشاء، لكنه يمنع أي شيء آخر من العبور وينقله إلى غرفة تجميع.
وقد توقع الباحثون في بحثهم العلمي أن ينشأ اعتمادا على بحثهم عديد من التطبيقات في مجال خلايا وقود الهيدروجين وفي تقنيات جمع غاز الهيدروجين من الغلاف الجوي، ما يتيح مصدرا جديدا للطاقة النظيفة.
وكان من الصعب عليهم عدم توقع التطبيقات، لأنه إذا أمكن ضخ البروتونات من غاز يحتوي على الهيدروجين في غرفة لا تحتوي على أي شيء، يجب أن يبدأ التفكير في كيفية استغلال ذلك؟ ومن بين الاحتمالات التي يمكن تصورها – وإن كانت مستقبلية ولا بد من تأكيدها -لأن كل النتائج المتعلقة بها ظهرت على نطاق صغير- تمرير تيار كهربائي ضعيف عبر الغشاء ودفع الهيدروجين خلال غشاء الجرافين أو نتريد البورون. وفي الأساس يتم ضخ الوقود من الغلاف الجوي للحصول على الكهرباء من هذا الوقود، ذلك من حيث المبدأ. وقبل هذا البحث لم يكن ممكنا تسمية هذا الأمر توقعات، بل كان يسمى خيالا علميا. وعلى الأقل يقدم هذا البحث إرشادا ودليلا على أن هذا الأسلوب ممكن ولا يتعارض مع أي قوانين طبيعة معروفة.
والجرافين وإن كان قويا - نحو 200 مرة أقوى من الفولاذ - لكنه خفيف بشكل لا يصدق. ويعتبر المادية ثنائية الأبعاد الأولية، لأنه يشكل ورقة من الكريستال يبلغ سمكها سمك ذرة واحدة. وهو أيضا موصل ممتاز للكهرباء، لذلك فهو مفيد لأي شيء تدخل فيه الإلكترونيات، مثل الهواتف المحمولة والكاميرات القابلة للانحناء، والأجهزة الكهربائية التي يمكن ارتداؤها عندما تعلق بالملابس.
وتشمل التطبيقات الطبية للجرافين إمكانية الاستفادة منه كمادة لتوصيل العقاقير إلى المواضع المصابة داخل الجسم، ما قد يفتح آفاقا جديدة لعلاج المرضى الذين يعانون أمراضا في الدماغ مثل مرض باركنسون أو السرطان.
ويتم أيضا تطوير الجرافين كمادة جديدة للأغشية المستخدمة في فصل السوائل. ويمكن استخدامه لتنقية المياه في الدول النامية أو لإنشاء محطات تحلية مياه أكثر كفاءة. ويعتقد العلماء أيضا أن قوة الجرافين الشديدة وانخفاض وزنه يمكن توظيفهما في صنع المواد المركبة الجديدة والبوليمرات المستخدمة في صناعة النقل، ما يجعل السفر أكثر أمانا وأكثر كفاءة في استهلاك الوقود.
والآن على ما يبدو يمكن أيضا استخدام الجرافين لإنتاج أشكال جديدة لتوليد الكهرباء النظيفة باستخدام خلايا وقود الهيدروجين، بل كتقنية لتجميع وقود الهيدروجين من الهواء.