وتستخدم هذه الطريقة الموجات الدقيقة، المُشابهة لتلك المُستخدمة في فرن الميكروويف المنزلي، لإثارة عناصر مُحددة داخل المواد المُستهدفة. وحقق النظام الجديد كفاءة في استخدام الطاقة أعلى بحوالي أربع مرات ونصف من التقنيات التقليدية، بحسب تقرير في موقع "سايتك ديلي".
صديق للبيئة
على الرغم من أن تغير المناخ لا يقتصر على إنتاج الطاقة وثاني أكسيد الكربون (CO2)، إلا أن خفض الطلب على الطاقة وانبعاثاتها لا يزال يُمثل تحديا رئيسيا للعلوم والهندسة. في إطار الهدف الأوسع المتمثل في التحول الأخضر، يعمل المحاضر فوميناو كيشيموتو وزملاؤه في قسم هندسة النظم الكيميائية بجامعة طوكيو على تطوير أساليب صناعية أنظف وأكثر كفاءة.
اظهار أخبار متعلقة
يمكن لأحدث أعمالهم تحسين العمليات المستخدمة في التركيب الكيميائي، وقد يؤدي إلى فوائد بيئية أخرى. الفكرة الأساسية وراء ابتكارهم بسيطة بشكل مدهش.
وصرح كيشيموتو قائلا: "في معظم الحالات، تحدث التفاعلات الكيميائية فقط في مناطق موضعية صغيرة جدا تتضمن عددا قليلا من الذرات أو الجزيئات. هذا يعني أنه حتى داخل مفاعل كيميائي كبير، لا تتطلب سوى أجزاء محدودة حقا مدخلات طاقة للتفاعل. ومع ذلك، فإن طرق التسخين التقليدية، مثل الاحتراق أو السوائل الساخنة، تشتت الطاقة الحرارية في جميع أنحاء المفاعل. بدأنا هذا البحث بفكرة أن الموجات الدقيقة يمكنها تركيز الطاقة على موقع ذري نشط واحد، على غرار طريقة تسخين فرن الميكروويف للطعام".
كيفية العمل
أوضح كيشيموتو، أن المفهوم يشبه مفهوم فرن الميكروويف ولكنه يعمل في ظروف مختلفة. بدلا من استهداف جزيئات الماء القطبية بتردد يقارب 2.45 غيغاهرتز (وهو تردد تستخدمه أيضا العديد من إشارات الواي فاي، مما يفسر سبب تعطل اتصالات الإنترنت أحيانا عند إعادة تسخين الطعام)، ضبط الباحثون موجات الميكروويف على حوالي 900 ميغاهرتز. أثبت هذا التردد المنخفض أنه الأمثل لإثارة المادة التي كانوا يدرسونها - الزيوليت - وهي مادة مسامية قادرة على امتصاص الحرارة ونقلها بكفاءة.
قال كيشيموتو: "كان التحدي الأكبر هو إثبات أن موجات الميكروويف تُسخّن موقعا ذريا نشطا واحدا فقط. ولتحقيق ذلك، أمضينا أربع سنوات في تطوير بيئة تجريبية متخصصة في منشأة SPring-8 اليابانية للإشعاع السنكروتروني الكبيرة ذات المستوى العالمي".
وذكر "تضمن ذلك استخدام زيوليت يشبه الإسفنج، وهو مثالي لأنه يمكننا التحكم في أحجام تجاويف الإسفنج، مما يسمح لنا بموازنة عوامل مختلفة للتفاعلات. داخل تجاويف الإسفنج، تعمل أيونات الإنديوم كهوائيات. تُثار هذه الأيونات بواسطة موجات الميكروويف مما يُولّد حرارة، والتي يمكن نقلها بعد ذلك إلى مواد التفاعل التي تمر عبر الإسفنج".
تطبيقات في إنتاج الوقود وإعادة تدوير الكربون
من خلال نقل الحرارة بشكل انتقائي إلى مواد محددة، يمكن استخدام درجات حرارة إجمالية منخفضة لتحقيق تفاعلات تتطلب جهدا كبيرا، مثل تحلل الماء أو تحويل الميثان، وكلاهما مفيد لإنتاج منتجات الوقود. كما يمكن تحسين الانتقائية من خلال تغيير حجم مسام إسفنجة الزيوليت، حيث تُحسّن المسام الأصغر كفاءة التفاعلات، بينما تُمكّن المسام الأكبر من التحكم بشكل أكبر في التفاعلات.
اظهار أخبار متعلقة
ومن المزايا الرئيسية إمكانية استخدام هذه التقنية في احتجاز الكربون، وإعادة تدوير ثاني أكسيد الكربون كجزء من عملية تحويل الميثان، وحتى إعادة تدوير البلاستيك بسهولة أكبر.
يكمن التحدي الآن في كيفية توسيع نطاق هذه التقنية لتشجيع تبنيها في الصناعة - فالتقنيات التي تنجح في المختبر لا تُطبق مباشرة في البيئات الصناعية الكبيرة بسهولة. وهناك بعض القيود على البحث والتي يجب معالجتها أولا.
متطلبات المواد معقدة للغاية، وليست بسيطة أو رخيصة الإنتاج؛ ومن الصعب قياس درجات الحرارة بدقة على المستوى الذري، لذا تعتمد البيانات الحالية على أدلة غير مباشرة، ويُفضل استخدام وسائل أكثر مباشرة. وعلى الرغم من التحسينات في الكفاءة، لا يزال هناك مجال للتحسين هنا أيضا، نظرا لوجود خسائر حرارية وكهربائية على الطريق.
وصرح كيشيموتو قائلا: "نهدف إلى توسيع نطاق هذا المفهوم ليشمل تفاعلات كيميائية مهمة أخرى تتجاوز تحويل ثاني أكسيد الكربون، وتحسين تصميم المحفز بشكل أكبر لتحسين المتانة وقابلية التوسع. لا تزال هذه التقنية في مرحلة التجارب المعملية. وسيتطلب التوسع مزيدا من تطوير المحفزات وتصميم المفاعلات والتكامل مع مصادر الطاقة المتجددة".
وأضاف: "ومع صعوبة تحديد جدول زمني دقيق، نتوقع عروضا تجريبية على نطاق واسع خلال العقد المقبل، مع اعتماد صناعي أوسع يعتمد على التقدم في كل من التكنولوجيا والبنية التحتية للطاقة. ولتحقيق ذلك، نبحث عن شركاء من الشركات للمشاركة في التطوير المشترك".