رواد الفضاء الصينيون ينتجون وقود الصواريخ في المدار

يُعد التمثيل الضوئي الاصطناعي نهجًا واعدًا للحد من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري، حيث يستخدم ثاني أكسيد الكربون المنبعث من المصانع ومحطات الطاقة كمادة خام للمنتجات الكيميائية، مع استخدام الهيدروجين النظيف المُنتَج من الماء باستخدام الطاقة الشمسية. شاركت شركة ميتسوبيشي للكيماويات (MCC)بصفتها عضوا في الجمعية اليابانية لبحوث التكنولوجيافي العمليات الكيميائية للتمثيل الضوئي الاصطناعي في مشروع التمثيل الضوئي الاصطناعي الذي تُجريه منظمة تطوير الطاقة الجديدة والتكنولوجيا الصناعية (NEDO)، وتواصل العمل على تطويره بشكل مشترك بالشراكة مع مُصنّعي المواد الكيميائية المحليين والجامعات والمعاهد الوطنية ومؤسسات بحثية أخرى. في عملية التمثيل الضوئي الاصطناعي، تُستخدم الطاقة الشمسية لإنتاج الهيدروجين من الماء. وباستخدام هذا الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون المنبعث من المصانع ومحطات الطاقة لإنتاج الأوليفينات، سيُحدث تحول كبير نحو عملية امتصاص ثاني أكسيد الكربون من عمليات إنتاج المنتجات الكيميائية التي كانت تُصدر ثاني أكسيد الكربون سابقًا. وقد قامت شركة ميتسوبيشي للكيماويات (MCC) بتطوير تكنولوجي لجميع مراحل عملية التمثيل الضوئي الاصطناعي المكونة من ثلاث خطوات.

ثلاث عمليات في عملية التمثيل الضوئي الاصطناعية

1. فصل الماء إلى أكسجين وهيدروجين باستخدام ضوء الشمس ومحفز ضوئي

في عملية تحويل الماء إلى هيدروجين وأكسجين، يلعب المحفز الضوئي دورًا هامًا. يُسلط الضوء على المحفز، وهو على شكل صفائح ومنقوع في الماء، فيفصل الماء إلى هيدروجين وأكسجين دون استخدام الكهرباء. ومن مميزات هذه العملية أنها لا تُصدر ثاني أكسيد الكربون في مرحلة الإنتاج، نظرًا لاستخدام الطاقة الشمسية. في عملية التمثيل الضوئي الاصطناعي، يُعد معدل كفاءة تحويل الطاقة عاملًا مهمًا، أي مدى كفاءة تحويل الطاقة عند إنتاج الهيدروجين من الطاقة الشمسية. يجري البحث حاليًا بهدف تحقيق معدل كفاءة تحويل طاقة بنسبة 4% بحلول عام 2024 و10% بحلول عام 2030 وذلك باستخدام صفيحة تحفيز ضوئي يمكن إنتاجها بأحجام كبيرة، ومن المتوقع أن تُخفّض التكاليف، واستخدام الصفيحة للتحقق من معدلات الكفاءة من خلال الاختبارات الخارجية في موقع اختبار بمساحة عشرات الآلاف من الأمتار المربعة. وقبل تطبيق عملية التمثيل الضوئي الاصطناعي، يحظى المحفز الضوئي للمشروع باهتمام كبير كتقنية رائدة عالميًا.

2. استخدام غشاء فصل لفصل الهيدروجين عن الغاز المختلط المنبعث، والمكون من الهيدروجين والأكسجين:

يُعد خليط غازي الهيدروجين والأكسجين قابلًا للانفجار، لذا من المهم للغاية فصل الهيدروجين والأكسجين بأمان وكفاءة. في هذا المشروع، بالإضافة إلى تطوير غشاء فصل عالي الأداء (لفصل الهيدروجين عن الغاز المختلط)، يجري أيضًا تطوير وحدة فصل آمنة للغاية.

3. استخدام محفز لإنشاء تفاعل بين الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون لإنتاج الأوليفين.

يُعد المحفز الاصطناعي أمرًا بالغ الأهمية لإنتاج الأوليفين. يتم هذا الإنتاج عن طريق تفاعل الهيدروجين المنفصل مع ثاني أكسيد الكربون. وقد طُوِّرت تقنيات محفزة وعملياتية لتحقيق إنتاجية عالية ومستويات إنتاج عالية، وقد أثبتت عملية إثبات المفهوم نجاحها على نطاق تجريبي صغير. وبالتالي، يصبح الأوليفين المُنتَج باستخدام هذه المجموعة من العمليات مادة خام لإنتاج البلاستيك. اختير التطوير التجاري لإنتاج المواد الخام الكيميائية القائمة على التمثيل الضوئي الاصطناعي كمشروع لصندوق الابتكار الأخضر من قِبل منظمة NEDO في فبراير 2022. وانتقل مشروع التمثيل الضوئي الاصطناعي إلى المرحلة التالية للتنفيذ الاجتماعي. ولتحقيق الحياد الكربوني، ستعمل شركة MCC على تحويل المواد الخام من البترول ودفع عجلة تطوير تكنولوجيا إنتاج البلاستيك باستخدام ثاني أكسيد الكربون من خلال الاستفادة من تكنولوجيا تصنيع البتروكيماويات، وتكنولوجيا تطوير المحفزات، وغيرها من التقنيات التي طورتها بالتعاون مع الجامعات ومعاهد البحوث التابعة لشركات أخرى مشاركة في المشروع.

أول عملية بناء ضوئي اصطناعي من نوعها في الفضاء

نجح رواد فضاء صينيون على متن محطة تيانغونغ الفضائية في إنتاج الأكسجين ووقود الصواريخ من خلال عملية البناء الضوئي الاصطناعي. يستخدم رواد الفضاء الصينيون "البناء الضوئي الاصطناعي" الأول من نوعه لإنتاج الأكسجين ووقود الصواريخ في الفضاء. وقد أنتج رواد الفضاء الصينيون مؤخرًا الأكسجين ووقود الصواريخ من خلال شكل جديد من "البناء الضوئي الاصطناعي". قد تُستخدم هذه التقنية المبتكرة، التي تتطلب معدات بسيطة نسبيًا وطاقة قليلة، في نهاية المطاف في قاعدة القمر الصينية المخطط لها، والتي من المتوقع الانتهاء منها في غضون عشر سنوات، وفقًا لتقرير نشرته لايف ساينس.

كيف حقق رواد الفضاء الصينيون عملية التمثيل الضوئي الاصطناعي؟

أجرى أعضاء طاقم شنتشو-19، الذين أقاموا على متن محطة الفضاء الصينية تيانغونغ، والتي تعني "القصر السماوي" بالصينية، التجارب الجديدة. تعمل محطة الفضاء بكامل طاقتها في مدار أرضي منخفض منذ نوفمبر 2022. ووفقًا لموقع إنتريستينغ إنجينيرينغ(الهندسة المثيرة للاهتمام)، يُستخدم "محفز شبه موصل" وجهاز أساسي "يشبه الدرج" في تقنية التمثيل الضوئي الاصطناعي، التي يجري تطويرها منذ عام 2015، لتحويل ثاني أكسيد الكربون والماء إلى أكسجين ومكونات وقود الصواريخ. هذا يُشبه العملية التي تُنتج بها النباتات الجلوكوز من خلال التمثيل الضوئي بدلًا من وقود الصواريخ. تُحاكي هذه التقنية عملية التمثيل الضوئي الطبيعية للنباتات الخضراء من خلال أساليب فيزيائية وكيميائية مُهندسة، باستخدام موارد ثاني أكسيد الكربون في أماكن محصورة أو في أجواء خارج كوكب الأرض لإنتاج الأكسجين والوقود الكربوني، وفقًا لما ذكرته قناة CCTV في 19 يناير. من المتوقع أن يُوفر هذا العمل دعمًا تقنيًا بالغ الأهمية لبقاء الإنسان واستكشافه في الفضاء الخارجي، وذلك وفقًا لتقرير صادر عن لايف ساينس. ولم يُفصح الباحثون عن تفاصيل هذه التقنية. ومع ذلك، ووفقًا لبوست في صحيفة ساوث تشاينا مورنينج(صباح جنوب الصين) ، يُقال إنها تستهلك طاقة أقل بكثير من عملية التحليل الكهربائي التي تُنتج الأكسجين من الماء على متن محطة الفضاء الدولية.