الدور المرتقب للإلكترونات والجُزيئات في إنقاذ العالَم

(١) العمَل على شيءٍ مُهِم

دون ترتيبٍ مُعيَّن، تتضمَّن القائمة ما يلي. لاحظ أن مُعظَم هذه القضايا يُمكن تقديمها إما في إطارٍ سلبي (مرض) أو إطارٍ إيجابي (صحة).

والإطار الزمني (٤٠ سنة) هو نقطة مُهمَّة. فبعد أربعين عامًا من الآن، ستُراجع مسيرتك المِهنية وتسأل نفسك «هل أحدثت فرقًا؟» إذا كُنتَ ترغَب في إحداث فارق، يجِب أن تُوجِّه جهودك ومواهبك لتُعالج شيئًا مُهمًّا. القضايا المذكورة أعلاه هي أهمُّ ما يُمكن أن نُفكِّر به. بعد ذلك، كان سمولي يُوضِّح إذن أنه إذا أمكَنَنا حلُّ مُشكلة الطاقة، فسيكون لذلك تأثيرٌ إيجابِيٌّ على عددٍ كبير من القضايا الأُخرى في القائمة. إذا كُنتَ تستطيع أن تتخيَّل طاقة رخيصة وفيرة ونظيفة ومُتاحة في جميع أنحاء العالم، فسيكون من الممكِن الحصول على مياه نظيفة من البحر عن طريق تحلية المياه (حاليًّا باهظة الثمن للغاية بسبب الطاقة المطلوبة)، لريِّ الصحراء لزراعة الغذاء، وتجنُّب التعدين والحفْر لاستخراج أنواع الوقود الأحفوري التي تؤدِّي إلى التدهوُر البيئي والاحتِرار العالمي، وتجنُّب التوتُّرات الدولية (وما هو أسوأ) المرتبطة بالحِفاظ على إمدادات مُستقرَّة من الوقود. الطاقة هي الثروة؛ فإذا كان لدَيك ما يكفي من الطاقة، يُمكنك القيام بما يلزَم القيام به.

إذا كُنتِ لا تستطيعين أن تُقرِّري حقًّا ما تُريدينَ أن تعمَلي عليه، فدَعيني أقترِح بكلِّ تَواضُعٍ أخذ شيءٍ ما من هذه القائمة. لقد اخترتُ أن أُكرِّس مسيرتي المِهنِيَّة للتعليم والطاقة (الطاقة الشمسية على وجه الخصوص). وأنا بصراحة أشعُر بالرِّضا عن الاختيارات، حتى وإن كنتُ أتمنَّى بِشدَّة أن أُحقِّقَ أنا وبقية العالم تَقدُّمًا أسرع بكثير.

(٢) الطاقة

منذ فترة وجيزة، حضرتُ مُحاضرةً ألقاها توماس فريدمان (كاتب عمود في صحيفة «نيويورك تايمز» يُركِّز في المقام الأول على القضايا الاقتصادية). بعد أن وضَعَ قائمة مُخيفة من المشكلات الهامَّة التي تُواجِهُ العالم (لا تَختلف عمَّا لدينا من أهم ١٠، لكنه فقط اختار خمسًا منها)، أشار إلى أنَّ ثَمَّة حلًّا واحدًا فقط يُمكن أن يؤدِّي إلى مُعالجتها جميعًا. ما يحتاجه العالم حقًّا هو … إلكترونات وجُزيئات نظيفة! كدتُ أثِبُ من مقعدي (الأمر الذي أظهر فقط أنَّني لم أقرأ كِتابه بعد، حيث إنه استخدَم تلك المصطلَحات فيه؛ في كتابه «ساخن، ومُسطَّح ومزدحِم»). لكن ما يحتاجه العالم الآن هو (بجانب، الحُبِّ بالطبع) هو الإلكترونات والجُزيئات! تلك هي الكيمياء؛ فالكيمياء فقط هي التي تجعل الإلكترونات تتحرَّك والجُزيئات تتحوَّل إلى جُزيئات أخرى. الإلكترونات النظيفة تعني، على سبيل المثال، الفوتوفولتية؛ وهي استخدام ضوء الشمس لتوليد الكهرباء. الجُزيئات النظيفة تعني توليد الوقود من مصادر مُتجدِّدة، مثل الطاقة الشمسية. ولمَّا كان توماس فريدمان قد استَشهدَ بنيت لويس مرَّتين في حديثه، سألتُ نيت إذا كان هو من أقنَعَه باستخدام تعبير «الجُزيئات النظيفة». وكان قد فعل؛ كان فريدمان يُنادي بالإلكترونات النظيفة، لكن نيت بيَّن أن الشمس لا تسطَع طوال الوقت، وأنك تحتاج بالفعل إلى طاقة قابِلة للتخزين والنقل (الوقود، المعروف أيضًا باسم «الجُزيئات») لتغطية احتياجاتك من الطاقة طوال الوقت.

على الرغم من أنه يُمكنُك استخراج الطاقة من الرياح أو الأمواج أو المياه الجارية، فإنَّ الأشكال الأكثر تركيزًا للطاقة تأتي مع روابط كيميائية. هذا هو السبب في أنه يُمكنك استخدام الطاقة في جالون من الهيدروكربونات البسيطة لدفع طن من المعدن لمسافة ٢٠ ميلًا (أو ٤٥ ميلًا إذا كنتُ في سيارتي ماركة بريوس). وذلك هو السبب وراء قيام الطبيعة الأم بعملية التمثيل الضوئي ووراء حصولنا على احتياجاتنا اليومية من الطاقة من الطعام. الكيمياء وراء كل ذلك، وهي جُزء لا يتجزَّأ من فَهم وتخطيط مُستقبل الطاقة لدينا. ويعمل العديد من العلماء على طُرق لتخزين الطاقة في روابط كيميائية بدايةً من الموارد المتجدِّدة البسيطة. أبسطها هو تقسيم الماء إلى الهيدروجين والأكسجين، باستخدام طاقة ضوء الشمس. وقد وصف بعض الكيميائيين هذا التفاعُل بأنه بمثابة «الكأس المقدسة» للكيمياء: ضوء الشمس والمياه التي تُنتِج الهيدروجين والأكسجين. فهو تفاعُل بسيط على نحوٍ خادع لكنه لا يزال يصعُب تنفيذه بفعالية. تتضمَّن التفاعُلات الأخرى تحويل السليلوز (يبدو أن كيزان الذُّرة هي المفضَّلة في الآونة الأخيرة) إلى الإيثانول أو اختزال ثاني أكسيد الكربون إلى مُنتَجات مُفيدة (مثل الميثانول). أرى أنه من الملهِم معرفة أن معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، وﻣُؤﺳَّﺳﺎت عديدة ﺗﺗﻌﺎوَن لإيجاد ﺣلٍّ لهذه المشكلة وحدها. ويُطلِقون على المشروع المشترك اسم «إمداد الكوكب بالطاقة» ويعملون حاليًّا على فصْل المياه بالطاقة الشمسية.

(٣) الطاقة الشمسية

لا يحتاج العالم فقط إلى إضافة ١٥ تيراواط أخرى من موارد الطاقة الخالية من الكربون في السنوات الخمسين القادمة، ولكن إذا كُنَّا نأمُل في منْع ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي من التزايُد إلى مُستويات غير عادية، فإنه يَلزم تحويل الكثير من احتياجات موارد الطاقة الحالية التي تبلغ ١٥ تيراواط إلى أشكالٍ خالية من الكربون كذلك. هذا أمر يَصعُب تحقيقه؛ فالتقديرات أن احتياجاتنا تبلُغ حوالي ٢٠–٢٥ تيراواط من مصادر الطاقة الخالية من الكربون لتثبيت مُستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، ناهيك عن إعادتها إلى مُستويات ما قبل العصر الصناعي. أين يُمكِنُنا الحصول على مثل هذه الموارد الضخمة؟ هناك احتياطيات كافية من الفحم لتغطية استهلاكنا لمدة قرنٍ أو قرنَين آخَرين، ولكن، بالطبع، الفحم ليس خاليًا من الكربون (في الواقع، إنه قريب جدًّا من الكربون النقي). أُجرِيَت مُؤخَّرًا تقديرات لتقييم إجمالي الطاقة المستمرَّة المتاحة من الموارد المختلفة: طاقة الرياح حوالي ٢–٤ تيراواط؛ ويُمكن أن تَصِل الطاقة الحرارية الأرضية إلى ١٢ تيراواط؛ والطاقة الكهرومائية تكاد تكون مُستنزَفة ولكنها قد تَمتلِك ١ تيراواط أُخرى مُتاحة؛ وعادةً ما تُبنى محطات الطاقة النووية بأحجامٍ تُناهِز ١ جيجاواط تقريبًا. ونظرًا لأن الأمر يتطلَّب ١٠٠٠ جيجاواط من أجل توليد ١ تيراواط، فيتوجَّب علينا بناء ١٠٠٠ محطة نووية سَعة ١ جيجاواط (ثلاث محطات في اليوم لمدة عام) للحصول على أول تيراواط.

شكل ١٦-١: المساحة التقريبية اللازمة للطاقة الشمسية (بكفاءة تحويل تبلغ ١٠٪) لتوفير حوالي ٣ تيراواط (الاستهلاك الحالي للولايات المتحدة من جميع أشكال الطاقة) أو ٢٠ تيراواط (ما سوف يَحتاجه العالم تقريبًا من الطاقة الخالية من الكربون بحلول عام ٢٠٥٠).

(٤) التمثيل الضوئي

شكل ١٦-٢: جُزيء ذو ثلاثة مُركَّبات (يُسمَّى ثالوثًا) يُحفَّز عن طريق الطاقة الموجودة في فوتون ضوئي للقيام بفصل الشحنات، مُمَثَّل بواسطة التردُّد ν في ثابت بلانك h.

(٥) خلايا السليكون الشمسية

تَعتمِد مُعظم الخلايا الشمسية على السليكون. وينطبق هذا إلى حدٍّ كبير على تاريخ الخلايا الشمسية بأكمله (أكثر من ٥٠ عامًا). يُعتبَر السليكون مُنافسًا قويًّا، ويرجع ذلك أساسًا إلى أنه يتميَّز بنطاق امتصاص مِثالي تمامًا بالنسبة إلى أشعة الشمس. يحتوي ضوء الشمس على نطاق واسع من الأطوال الموجية؛ من حوالي ٣٠٠ نانومتر في الأشعة الفوق البنفسجية إلى أطوال موجية طويلة جدًّا في الأشعة تحت الحمراء. لكن أعيُنَنا يُمكن أن ترى فقط في المدي من حوالي ٤٠٠ إلى ٨٠٠ نانومتر (الطيف المرئي). يمتصُّ السليكون كل شيء إلى ما يَقرُب من ١١٠٠ نانومتر، حتى نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة. وتبيَّن أنَّ هذا يُشكِّل نطاق امتصاص ضوئي مثاليًّا، بالنظر إلى مدى الأطوال الموجية في ضوء الشمس. وعند التخطيط لتحويل الطاقة الشمسية، يُعتبَر الحصْد الفعَّال للضوء أول عنصر مُهم يؤخذ في الاعتبار. وعلى الرغم من أن السليكون يمتصُّ جميع الأطوال المَوجية حتى ١١٠٠ نانومتر، فإنه يتجاهَل الفوتونات ذات الطول الموجي الأعلى، وهي التي تحتوي نصف الطاقة الشمسية الكلية تقريبًا. لكن الأمر أن تلك الفوتونات لا تَمتلِك طاقة كافية لتنشيط الإلكترونات؛ عادة ما تُسبِّب فوتونات الأشعة تحت الحمراء اهتزازات (حرارة) ولكنها لا تستطيع توليد حالات إثارة إلكترونية. وتُسمَّى الطاقة الأدنى التي يُمكن أن تُسبِّب الإثارة الإلكترونية في جُزيءٍ أو مادةٍ ما بفجوة النطاق الخاصة بهذا الجُزيء أو هذه المادة؛ وهي عبارة عن تباعُد الطاقة بين المدارات الأعلى المملوءة بالإلكترونات (أو ما يُسمَّى نطاق التكافؤ) وأدنى المدارات غير المملوءة (أو ما يُسمَّى بنطاق التوصيل). لذا فإن فجوةَ نطاق السليكون تبلُغ حوالي ١١٠٠ نانومتر أو ١٫١ إلكترون فولت.

المحدِّد الثاني فيما يتعلَّق بحصْد الضوء هو كيفية استخدام الفوتونات العالية الطاقة. ففي حالة للفوتونات ذات الطاقة الأكبر من فجوة النطاق، تتحلَّل الطاقة الزائدة إلى طاقة اهتزازاتٍ أو إلى حرارة. لذا، فإن جميع الفوتونات، حتى تلك التي في نطاق الأشعة فوق البنفسجية ذات الطاقة العالية للغاية، لا تعمل أفضل من الفوتونات التي في فجوة النطاق. في الوقت الذي تكون فيه قد انتهيت من تنزيل رُتبة الفوتونات العالية الطاقة وفقْد الفوتونات المنخفِضة الطاقة (ما وراء فجوة النطاق)، فإن أفضل ما يُمكنك القيام به هو تحويل حوالي ٣٠٪ من إجمالي الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية. يحدث الحصد الأمثل في حالة مادَّة ذات فجوة نطاق تبلُغ حوالي ١٠٠٠ نانومتر. والسليكون قريب من المستوى المثالي؛ إذ يُمكن لأفضل خلايا السليكون الشمسية الحصول على ما يصل إلى ٢٠٪ من الكفاءة. تَستخدم الطبيعة الكلوروفيل، الذي يمتصُّ حتى ٧٠٠ نانومتر، وتستفيد من ذلك بشكل جيد. تَنجح معظم المواد الاصطناعية التي تُستَكْشَف من أجل الخلايا الشمسية في أن تحصد بكفاءة ما يصل إلى حوالي ٧٠٠ نانومتر ولكنها تُواجِه صعوبة في تجاوُز ذلك؛ لذا فالسليكون هو بالفعل منافس قوي.

شكل ١٦-٣: مُستويات الطاقة وحركة الإلكترون/الثقب الموجَب في خلية سليكون شمسية.

على الرغم من التاريخ والإنجازات المثيرَين للإعجاب، فإن للسليكون بعض نقاط الضعف؛ فغالبية الخلايا الشمسية تُنتَج حاليًّا من خلال تقطيع رقائق رقيقة من أسطوانات سليكون عالية النقاء أُحادية البلورة. وهذا أمر مُكلِّف للغاية، ومُستهلِك للطاقة، وأخيرًا مُبدِّد للسليكون النقي (حيث إنَّ ٤٠٪ من الأسطوانة النموذجية يُفْقَد على هيئة «شق»؛ نشارة ناتجة عن تقطيع الأسطوانة وصقل الرقائق). إذا كُنَّا نَعتزِم توسيع استخدام الطاقة الشمسية بشكلٍ كبير، فنحن بحاجة إلى خلايا مصنوعة من مواد أرخص يُمكن معالجتها ببساطة. فخلايا شمسية من شرائح رقيقة تستخدم السليكون غير المتبلوِر تُجنِّبُنا الحاجة لتكوين بلورات مُفرَدة كبيرة. لكن الكفاءة أقلُّ لأنَّ حركة الشحنات عبر المادة اللابلورية تكون أقلَّ كفاءة من التنقُّل في بلورةٍ واحدة. إجمالًا، تبلُغ كفاءة تحويل الطاقة الشمسية حوالي ٥–٨٪ بالنسبة للسليكون غير المتبلوِر مُقابل ١٢–١٨٪ للسليكون الأحادي البلورية.

(٦) الخلايا الشمسية العضوية

تُسمَّى الجُزيئات العُضوية التي تمتصُّ الضوء بالأصباغ. عندما يَمتصُّ جُزيءٌ ما الضوء المرئي، يُمكننا رؤية التأثيرات؛ فالصبغة التي تَمتصُّ الضوء الأزرق تميل إلى أن تبدو حمراء، والصبغة التي تمتصُّ الضوء الأحمر تميل إلى أن تبدو زرقاء. ونحن نرى الجُزء الذي لا يُمْتَصُّ من الطيف؛ إذ يَنعكِس فتُلاحظه أعيُننا. من الواضح أن الطبيعة الأم قد اختارت اللون الأخضر باعتباره اللون الأساسي للطاقة الشمسية. فالكلوروفيل يمتصُّ كُلًّا من الأطراف الزَّرقاء والحمراء للطيف المَرئي، تاركًا فقط قِطعةً صغيرة من اللون الأخضر غير مُستخدَمة في الوسط.

شكل ١٦-٤: خلية شمسية عضوية ثنائية الطبقات. (استُخدِمَتِ النسخة الأصلية من بحث سي دبليو تانج فثالوسيانين الزنك مانحًا (D) وصبغة البيريلين مُستقبِلًا (A).)

تتضمَّن الخطوات المطلوبة لهذا النوع من الخلايا: (١) امتصاص الضوء من أيٍّ من الصبغتين. (٢) بلوغ الحالة المثارة للواجهة؛ المكان الوحيد الذي تكون فيه جُزيئات المانح والمستقبِل على اتِّصال مُباشر بعضها مع بعض. (٣) فصل الشحنة على السطح عن طريق تحريك الإلكترونات إلى طبقة المستقبِل والفجوات الموجَبة إلى الطبقة المانحة. وأخيرا (٤) نقْل تلك الشحنات في اتِّجاهَين مُتعاكسَين إلى أقطاب الجمع. ثمَّة صعوبات كبيرة في كلٍّ من هذه الخطوات، ويَرجِع ذلك في المقام الأول إلى أن المواد العضوية تتصرَّف بالأساس بشكلٍ مُختلِف عن السليكون. عندما يكون الإلكترون مُثارًا في السليكون، فإنه يتحرَّك مُباشرةً نحو نطاق التوصيل ويكون مُتحرِّكًا كإلكترون حرٍّ ويُخلِّف وراءه ثُقبًا مُوجَب الشحنة، وهو أيضًا حُرُّ الحركة. إنَّ الحالة المثارة في جُزيء عُضوي لا تفقد بسهولة إلكترونًا إلى جُزيء مُجاوِر؛ فالطاقة اللازمة لتوليد جُزيء مؤكسَد ومختزَل كأقرب الجُزيئات المجاوِرة تكون مُرتفعةً بشكلٍ عام عندما يكون الجُزيئان المتجاوِران مُتطابقَين. وهكذا، يُمكن اعتبار الحالة المثارة كزوجَين مُتلازمَين من ثقب/إلكترون مُرتبطَين معًا على نفس الجُزيء، وهذه الحالة تُسمَّى أكسيتون. ولحُسن الحظ، فالأكسيتون مُتحرِّك. والطبيعة تُدرِك هذا تمامًا؛ وتُستخدَم المئات من جُزيئات الكلوروفيل كهوائيات، لمجرَّد امتصاص الضوء وتداوَل الأكسيتون حتى يَصِل إلى «زوج خاص» من جُزيئات الكلوروفيل مُعَدًّا إعدادًا مُلائمًا لنقل الشحنة.

لذا تحتاج الحالة المثارة، أو الأكسيتون، في الخلايا الشمسية العُضوية إلى التجول، عن طريق الانتِشار العشوائي، حتى تَصِل إلى الواجهة البَينية؛ وهناك فقط تعثُّر على أقرب جار مُختلِف عنها. يُختار زَوج الجُزيئات (المانِح والمستقبِل) اختيارًا مُحدَّدًا حتى يُمكِن لنقل الإلكترون أن يكون مُناسبًا. وبصرفِ النظر عمَّا إذا كان الذي وصل إلى الواجهة البينية أكسيتونًا مانحًا أو أكسيتونًا مُستقبلًا، سيَنتقِل إلكترون إلى طبقة المستقبِل وسيتحرَّك ثقبٌ إلى طبقة المانح. ومع ذلك، يَتعيَّن علينا الآن نقل الشحنات عبر السُّمك الكامل لكل طبقةٍ من أجل إيصالها إلى أقطاب الجمع، وعمومًا فالمواد العضوية ليسَت مُوصِّلات جيدة للشحنات الكهربائية. لذا، فإن ما يلزم في هذا النوع من الخلايا الشمسية هو ميزتان مُتناقِضتان؛ فالامتصاص الجيد للضوء يتطلَّب غِشاءً أكثر سُمكًا، لكن الجمع الجيد للشحنات يحتاج إلى طبقاتٍ أرق. ليس من المفاجئ أنَّ كفاءة خلية تانج الأولية كانت أقل من ٠٫٥٪.

وقد اتَّخَذت التحسينات في الخلايا الشمسية العُضوية مَسارَين، يُعالِجان هاتين الضرورتين المتعارِضَتَين. أحدهما هو تخشين الواجهة البينية بحيث يُمكن لجُزيئات أكثر أن تكون أقرَبَ إلى نظيرها المعاكس. وفي الحالة المِثالية، ما يُمكن تشكيله هو مزيج من المادَّتَين (المانِحة والمستقبِلة) بحيث يكون هناك دائمًا اتِّصال بين كلِّ الجُزيئات المانحة وكلِّ الجُزيئات المستقبِلة، بل إن بعضَها يَخترِق مناطق بعضٍ على نطاقٍ واسع. وتُسمَّى هذه الخلية بخلية وصلة غير مُتجانِسة، وتُتيح سُمكًا أكبر نِسبيًّا وامتصاصًا جيدًا للضوء، حتى إنَّ أي أكسيتون لا يُضطرُّ أبدًا إلى الابتعاد بعيدًا جدًّا ليَجِد نظيرًا ينقل إليه الشحنة. أما الاستراتيجية الأساسية الثانية فهي تحسين التوصيلية الإلكترونية للمواد العضوية.

عند إزالة الإلكترونات من أزواج النيتروجين غير المرتبطة في البولي أنيلين، فإن الفجوات المتبقية (النيتروجينات المؤكسَدة ذات الشحنات الموجَبة) تكون مُتحرِّكة بشكلٍ ملحوظ. يحدُث التوصيل الكهربائي الأمثل عندما يتأكسد نصف النيتروجينات بالضبط. يقلُّ التوصيل إذا اخْتُزِل البولي أنلين أو تأكسَدَ تأكسُدًا مُفرِطًا، أو إذا فقدت النيتروجينات بَرْتَنَتَها (التي تجعل النيتروجينات غير مُتكافئة وتُصلح الفجوات في المواضع التي تتطلَّب ذلك). تُستخدم بوليمرات عضوية مُوصِّلة مُماثلة، وأبرزُها البولي ثيوفين، بشكلٍ مُنتظِم في الخلايا الشمسية. بدأت الخلايا الشمسية العضوية الخالِصة تُخلِّف أثرًا، ويَرجِع ذلك في المقام الأول إلى أنها تُبشِّر بمُعالجة أبسط وأرخص. تجاوزت مُعدَّلات الكفاءة ٥٪، كما تُفيد التقارير بانتظام بتحسُّن العائدات المتأتِّية. وشرعت بِضع شركات في تسويق خلايا شمسية عضوية (كوناركا، وبليكسترونيكس، وريزو).

شكل ١٦-٥: تركيبات وخواص البولي أنيلين.

(٧) الخلايا الشمسية المستحثَّة بالصَّبغات

الخلية الشمسية المستحثَّة بالصبغة هي نوع مُهجَّن من الخلايا، يَستخدِم أشباه مُوصِّلات غير عضوية وصبغة عضوية. في الخلية الشمسية المستحثَّة بالصبغة، تُوَزَّع الوظائف الثلاث الأساسية كلها على نحوٍ مُنفصِل، مما يُتيح إمكانية تحسين كل وظيفة بطريقة مستقلَّة. فتُختار صبغة لامتصاص الضوء؛ ويُستخدَم شِبه مُوصِّل لنقل الإلكترونات؛ ويُستخدَم مكون ثالث لنقل الفجوات الموجبَة. حاليًّا، أكثر وسائط نقل الإلكترونات شيوعًا في الخلايا الشمسية المستحثَّة بالصبغة هو ثاني أكسيد التيتانيوم. ثاني أكسيد التيتانيوم هو شِبه مُوصِّل ذو فجوة عريضة النطاق، وهو ما يَعني ببساطة أنه لا يُمتصُّ على الإطلاق في المدى المرئي من الطيف، وإنما يُمتصُّ فقط في نطاق الأشعة الفوق البنفسجية. ثاني أكسيد التيتانيوم هو خِضاب أبيض شائع يُستخدَم للدهانات. (الخِضاب هي مواد تلوين حُبيبية غير قابلة للذَّوبان، في حين أن الأصباغ هي مواد تلوين قابلة للذوبان.) يُوجَد ثاني أكسيد التيتانيوم أيضًا في مَعجون الأسنان وفي مجموعة مُتنوِّعة من المواد التجارية الأخرى؛ فهو رخيص وغير ضار. عندما يَمتصُّ ثاني أكسيد التيتانيوم أشعَّةَ الشمس، فإن لدَيه القُدرة على إحداث تأثير فوتوفولتي جيد، ولكنه يمتصُّ فقط الأشعة الفوق البنفسجية، التي هي أقلُّ من ٥٪ من ضوء الشمس. ومع ذلك، إذن كان يُمكِن للصبغة أن تُمتَصَّ بِشدَّة على سطح ثاني أكسيد التيتانيوم، وتكون طاقة الحالة المثارة للصبغة مُناسِبة لنقل إلكترون إلى نطاق توصيل ثاني أكسيد التيتانيوم، عندئذٍ يُمكِن البَدء في تأثير فوتوفولتي من قبل جميع الفوتونات التي تمتصُّها الصبغة. وهذا ما يُسمَّى تحسُّس الصبغة، وهو يُوسِّع بشكلٍ كبيرٍ نطاق الفوتونات التي يُمكِن حصدُها.

العنصر الحاسم التالي هو وسط نقل الثقب، والذي يجِب أن يُضيف المزيد من الإلكترونات إلى الصبغة المؤكسَدة. مرَّةً أخرى، يجِب أن تكون مستويات الطاقة مناسبة لنقل الإلكترون (أو الثقب) بكفاءة. يجِب أن يكون التناظُر مع ثالوث عملية البناء الضوئي الاصطناعي واضحًا هنا. وتُشبِهُ الصبغة البورفيرين (في الواقع عادةً ما تكون البورفيرين) إذ تُوضَع في الوسط بين مانح ومستقبل. بعد أن يَخلُق فوتون حالةً مُثارة، تُدفع الإلكترونات في اتِّجاهٍ واحد (نحو المستقبِل أو وسط نقل الإلكترون) وتُجْذَب من الجانب الآخر (عادةً، ما يُعتبَر ذلك نقلًا وإبعادًا لثقوب مُوجبة وليس جذبًا للإلكترونات).

شكل ١٦-٦: الخصائص الأساسية لخلية شمسية مُستحثَّة بالصبغة.

يَتوافَق التيار الكهروضوئي من هذه الخلية مع عدد الإلكترونات المتدفِّقة في الدائرة الخارجية. وفي خلية جيدة، يُمكِن أن يَصِل هذا إلى ٢٠ ملِّي أمبير/سنتيمتر مربع تحت ضوء أشعة الشمس العادي. إنَّ الجُهد الضوئي من خلية شمسية مُستحثَّة بالصبغة هو الفرق تقريبًا بين طاقة الإلكترونات التي تأتي إلى القطب العامل (مُستوى الطاقة في نطاق التوصيل لثاني أكسيد التيتانيوم) وطاقة القطب المقابل (بتَوازُنٍ مع ثُنائي الأكسدة والاختزال وهما اليوديد وثلاثي اليوديد). ويُمكن أن يصِل الجهد الضوئي إلى حوالي ٠٫٧ فولت إذا كان هناك فقدٌ ضئيل في مَوضع آخَر في النظام. وعمومًا، فإنَّ هذه القِيَم تؤدِّي إلى مُعدَّلات كفاءة تحويل تُقارِب ١٠٪.

تكمُن الميزة الأساسية للخلايا الشمسية المستحثَّة بالصبغة في بساطتها ورخص تكاليف بنائها. فكلُّ المواد تُستخدَم بكميات صغيرة دون مُتطلَّبات النقاوة الصارمة لخلايا السليكون. وحاليًّا، بدأت شركة واحدة (داي سول) في تسويق الخلايا الشمسية المستحثَّة بالصبغة. ومع ذلك، فمِن الواضح أن نقطة الضعف الصارخة هي الحاجة إلى حالة سائلة تَسمَح بنشر اليوديد داخل مَسامِّ الجُسيمات النانوية. بُذلت العديد من الجهود على مدى سنوات عدة لإيجاد صورة من الحالة الصُّلبة للخلية الشمسية ذات الصبغة، ولكن إلى الآن لم يُحدِث أيُّ شيءٍ تحسُّنًا كبيرًا في الصورة الأصلية.

(٨) الكيمياء الضوئية الشمسية

كلُّ ما سبق مُذهِل تمامًا بالطبع. ومع ذلك، فإننا حتى الآن لم نُفكِّر إلا في تحريك الإلكترونات في الجوار؛ والكيمياء الحقيقية في هذه العمليات قليلة جدًّا، إنَّ كنتَ تعتقِد أن الكيمياء تعني تغيير الجُزيئات إلى جُزيئات مختلفة. ماذا عن استخدام الطاقة الشمسية للقيام بكيمياء حقيقية؟ ذاك هو ما تفعله الطبيعة في التمثيل الضوئي. إنَّ صُنع الجُزيئات الحقيقية من مُجرَّد ثاني أكسيد الكربون والماء هو كيمياء رائعة جدًّا. إنَّ مسألة مُحاكاة التمثيل الضوئي بالضبط هي أمرٌ مُبهِر للغاية للكيميائيِّين المتواضِعين، لكنَّنا نحلُم به. لذا مِن هذا المنظور، حدودكِ الوحيدة هي خَيالك. ما هي التفاعُلات المفيدة التي يَنبغي أن نُحاول ابتكارها، باستخدام ضوء الشمس كمصدر للطاقة؟

أحد الأساليب هو تطوير تفاعُلات بسيطة، بدءًا بالمواد الوفيرة وانتهاءً بمُنتجات عالية الطاقة. تفتيت الماء إلى الهيدروجين والأكسجين هو المثال الكلاسيكي، ولكن يُمكنك أيضًا تصوُّر التفاعُلات التي تَختزِل ثاني أكسيد الكربون إلى أشكال أخرى مُختلفة. ولكي تكون التفاعُلات مُفيدة حقًّا، يجِب أن تجمع كمية كبيرة من الطاقة (من ضوء الشمس) وأن تُولِّدَ وقودًا يُمكنه إرجاع تلك الطاقة بسهولة عند الاحتراق (أو في خلية وقود). من خلال فحص درجات حرارة احتراق أنواع الوقود المختلفة، يُمكننا أن نرى بالضبط مقدار الطاقة التي يتطلَّبها الأمر لتخليق تلك الأنواع من الوقود (الحفاظ على الطاقة). يتطلَّب فصل الماء ٢٨٦ كيلوجول/مول. عند إجراء ذلك عن طريق التحليل الكهربائي، فإنه يتطلَّب ١٫٢٣ فولت (كحدٍّ أدنى). إعادة مَزْج الهيدروجين والأكسجين يُولِّد نفس الطاقة وهي ٢٨٦ كيلوجول/مول أو يُنتج ١٫٢٣ فولت في خلية وقود (في ظروفٍ مِثالية). الهيدروجين هو مصدر قوي للغاية للطاقة. بما أنَّ مولًا من الهيدروجين يزِن ٢ جرام فقط، كوقود، فإن مُحتوى الطاقة فيه هو ١٤٣ كيلوجول/جرام أو ٣٤ كيلوكالوري/جرام. مُقارنةً بأنواع الوقود الأخرى، يتَّسِم الهيدروجين بأنه غَنيٌّ بالطاقة بشكل لا يُصدَّق. لهذا السبب غالبًا ما تَسمعين تكهُّناتٍ حول اقتصاد الهيدروجين (على عكْس اقتصاد الوقود الأحفوري). احرصي على أن تتذكَّري أنَّ الهيدروجين هو الوقود فحسْب (أي حامل للطاقة، وليس مصدر الطاقة نفسه). كمية الهيدروجين الحُرِّ الموجودة في الطبيعة لا تكاد تُذكَر؛ فهو أكثر استقرارًا عندما يَدخُل في تكوين الماء. لذا عندما يُروِّج شخص ما للهيدروجين على أنه وقود المستقبل، تأكَّدي أن تسأليه من أين يُخطِّط للحصول على الهيدروجين. لا بُدَّ أن يكون من الماء، باستخدام الطاقة الشمسية، بالطبع.

مُحتوى الطاقة من الوقود (أو الطاقة اللازمة للإنتاج الوقود) بالكيلوجول لكل جرام:

(مقدار الطاقة الناتج يُعادل ١٤٣ كيلوجول/جم من الهيدروجين.)

(مقدار الطاقة الناتج يعادل ٥٠ كيلوجول/جم من الميثان.)

(مقدار الطاقة الناتج يعادل ٤٦ كيلوجول/جم من الأوكتان.)

(مقدار الطاقة الناتج يعادل ٣٠ كيلوجول/جم من الإيثانول.)

(مقدار الطاقة الناتج يعادل ١٦ كيلوجول/جم من الكربوهيدرات.)

التفاعُل الأخير هو العكس تمامًا لعملية التمثيل الضوئي. وبما أنَّ عكس أيٍّ من التفاعُلات المذكورة أعلاه هو أمر يصعُب تحقيقه كيميائيًّا، فإن العديد من العُلماء ببساطة يدَعُون الطبيعة تُنجِز بنفسها عملية التمثيل الضوئي الطبيعي ويُحاولون تكييف أو تعديل العملية. على سبيل المثال، حُوِّلَت عملية التمثيل الضوئي عن طريق إضافة الإنزيمات المناسبة (الهيدروجينيز) التي تأخُذُ المنتجات الأولية لعملية التمثيل الضوئي وتستخدمها لاختزال المياه لتوليد الهيدروجين. تعمل أمثلة أخرى على المنتَجات الطبيعية لعملية التمثيل الضوئي وتُعدِّلها بعد ذلك، مثلًا، عن طريق تحويل الكربوهيدرات إلى الإيثانول (التخمير). يبحث آخرون عن نباتاتٍ جديدة تكون مُنتجات التمثيل الضوئي خاصَّتها مُفيدة فائدة مُباشرة. على سبيل المثال، في البرازيل، تقطُر «شجرة الديزل» عُصارةً صالحةً لاستخدامها كوقود ديزل بقدْرٍ أدنى من المعالجة. إنَّ استخدام التمثيل الضوئي الطبيعي لدفع عملية إنتاج الوقود الحيوي هو مجال آخِذٌ في النمو.

الخُلاصة

آمُل أن أكون قد تمكنتُ من إعطائك فكرة حول التحديات الكبرى والإثارة الكبرى التي تُمثلها الكيمياء في وقتنا الحاضر. إنها طريقة تفكير بشأن العالَم، وصولًا إلى مستوى الجُزيئات. دائمًا ما أقول لطُلَّابي إنني أريدهم أن «يُفكروا مثل الجُزيئات»؛ كيف تبدو الجُزيئات؟ ماذا تُريد أن تفعل؟ ولماذا تُريد أن تفعله؟ إذا استطعت أن تُفكِّر مثل جُزيء، عندئذٍ تكون كيميائيًّا.

إنني آخِذٌ في التقدُّم في العمر حتى إن الناس بدءوا يسألونني عما إذا كنتُ أستعدُّ للتقاعُد عمَّا قريب. ودائمًا ما أُجيبهم بنفس الطريقة؛ «لن أفعل طالما أستَمتِع وأفعل شيئًا هامًّا.» تظلُّ كِلتا هاتَين النُّقطتين حقيقيَّتَين للغاية لي. وأتمنَّي الأمر نفسه لكِ. اقضِ وقتًا عظيمًا مع مُحاضرات الكيمياء الخاصة بكِ وأبقِ ذهنكِ مُنفتِحًا على كل الاحتمالات التي تَنتظركِ. لقد كنتِ دائمًا طفلةً رائعة، وأنا أتطلَّع إلى الاستماع إلى كلِّ التفاصيل بشأن ما تَختارِينَ أن تقُومي به في حياتِك.

قراءات إضافية