تعمل عملية التمثيل الضوئي الاصطناعي الخالية من البطاريات على تحويل ضوء الشمس والماء وثاني أكسيد الكربون إلى وقود

يعمل نظام التمثيل الضوئي الاصطناعي ذاتي التنظيم على إنتاج الوقود الشمسي بدون بطاريات، مما يوفر مسارًا أبسط وربما أرخص لتخزين الطاقة النظيفة.

ابتكر الباحثون في جامعة أوساكا ميتروبوليتان نظامًا جديدًا للتمثيل الضوئي الاصطناعي يمكنه إنتاج الوقود الشمسي بشكل أكثر اتساقًا مع التخلص من الحاجة إلى أنظمة التحكم المعتمدة على البطاريات. يأتي هذا التقدم من دمج مكون كيميائي ذاتي التنظيم مباشرة في المحلل الكهربائي، مما يؤدي إلى إزالة أحد العناصر الأكثر تكلفة المستخدمة بشكل شائع في هذه التقنيات.

مثل عملية التمثيل الضوئي الطبيعي في النباتات، تستخدم عملية التمثيل الضوئي الاصطناعي ضوء الشمس لتحويل الماء وثاني أكسيد الكربون إلى وقود مفيد. أحد الأمثلة على ذلك هو حمض الفورميك، وهو مادة كيميائية يمكنها تخزين الطاقة لاستخدامها لاحقًا.

كيف ينتج التمثيل الضوئي الاصطناعي الوقود

الجزء الرئيسي من العملية هو المحلل الكهربائي. يقوم هذا الجهاز بتحويل الكهرباء المولدة من الخلايا الشمسية إلى طاقة كيميائية، مما يسمح بإنتاج وتخزين الوقود مثل حمض الفورميك.

يتمثل أحد التحديات في الحفاظ على كفاءة التشغيل مع ارتفاع وانخفاض مستويات ضوء الشمس طوال اليوم. ولمعالجة هذه المشكلة، تعتمد العديد من أنظمة التمثيل الضوئي الاصطناعي على تتبع أقصى نقطة للطاقة (MPPT)، وهي طريقة تحكم تعمل باستمرار على ضبط الجهد والتيار حتى تتمكن الخلايا الشمسية من العمل بأقصى قدر من الكفاءة.

ومع ذلك، غالبًا ما تتطلب أنظمة MPPT بطاريات ومكونات إلكترونية إضافية لتحقيق استقرار تدفق الطاقة. وعلى الرغم من فعاليتها، إلا أن هذه الأجزاء الإضافية تضيف تكلفة وتعقيدًا.

المحلل الكهربائي ذاتي التنظيم يزيل البطاريات

ولتبسيط النظام، قام فريق بحث بقيادة البروفيسور المشارك ياسو ماتسوبارا والبروفيسور يوتاكا أماو في مركز أبحاث التمثيل الضوئي الاصطناعي في جامعة أوساكا ميتروبوليتان، بالتعاون مع شركة Iida Group Holdings Co., Ltd، بإعادة تصميم المحلل الكهربائي باستخدام إلكتروليت صلب خاص.

في التصميم الجديد، يؤدي المحلل الكهربائي وظيفة MPPT من تلقاء نفسه، مما يلغي الحاجة إلى البطاريات وأجهزة التحكم الخارجية.

بدلاً من الاعتماد على إلكترونيات ومحولات وبطاريات منفصلة لتحسين الأداء، يقوم المحلل الكهربائي تلقائيًا بضبط خصائصه الكهربائية عن طريق تغيير خصائصه الحرارية والممانعة.

وأوضح البروفيسور أماو: “مع زيادة ضوء الشمس، يسخن المحلل الكهربائي بشكل طبيعي. وقد تم تصميم النظام بحيث يؤدي هذا الاحترار إلى انخفاض المقاومة الكهربائية، مما يسمح للكهرباء بالتدفق بحرية أكبر”. “وهذا يجعل النظام يضبط سلوكه الكهربائي تلقائيًا.”

وأضاف: “يساعد هذا السلوك التنظيمي الذاتي في الحفاظ على استقرار إنتاج الوقود طوال اليوم وأتمتة النظام، مع تقليل الاعتماد على البطاريات والمكونات الخارجية المكلفة”.

إنتاج مستقر للوقود الشمسي في ضوء الشمس الحقيقي

عندما اختبر الباحثون نموذجًا أوليًا يشتمل على هذه التقنية، نجح في إنتاج حمض الفورميك من الماء وثاني أكسيد الكربون بنجاح وباستمرار تحت ضوء الشمس الخارجي الحقيقي، حتى عندما تتغير مستويات الضوء.

وقال البروفيسور ماتسوبارا: “كنا واثقين من نجاحه، حيث عرضنا هذا البحث سابقًا في معرض “Joint Pavilion Iida Group × Osaka Metropolitan University” كجزء من معرض أوساكا كانساي إكسبو 2025″. “لقد نجح في توليد ما يكفي من حمض الفورميك لتشغيل ديوراما مصغرة في الجناح، مما يظهر إمكاناته كنظام التمثيل الضوئي الاصطناعي الفعال الذي يمكن استخدامه لشحن التطبيقات في منازلنا.”

ونشرت النتائج في المجلة إي إي إس سولار.

المرجع: “نظام تتبع نقطة الطاقة القصوى الكيميائية لإنتاج الوقود الشمسي السائل المستقر” بقلم ياسو ماتسوبارا وهيناكو كاواكامي وياسوهيتو كاجيتا ويوتاكا أماو، 20 مارس 2026، إي إي إس سولار.
دوى: 10.1039/D5EL00177C

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.