استخدام الهدروجين

كوقود للسيارات^(*)

يعمل الباحثون اليوم على إيجاد سبل تتيح للسيارات التي تعمل بخلايا

الوقود التزود بالهدروجين الذي تحتاج إليه لقطع مسافات طويلة.

<S.ساتيابال> ـ <J.پيتروفيتش> ـ <G.توماس>

يصعب تخزين كمية كافية من غاز الهدروجين بالسيارات في خزان بحجم خزان الگازولين.

أدهش <J.شارل> العالَم حين حلّق في سماء باريس على ارتفاع 3000 قدم فوق سطح الأرض، في يوم من أواخر أيام صيف سنة 1783، في منطاد صنعه من قماش حريري مغلف بطبقة من المطاط ومعبأ بغاز الهدروجين، الأخف من الهواء. وقد عمد القرويون الذين أصابهم الذعر من هذا التحليق إلى تحطيم المنطاد عند عودته إلى الأرض. لكن <شارل> اختط بعمله هذا نهجا لا يزال الباحثون، بعد مرور قرنين من الزمن، يعملون في إطاره. يتجلى هذا النهج في استخدام طاقة غاز الهدروجين، العنصر الأخف في الطبيعة، كوقود لوسائل النقل.

يعد إحراق الهدروجين أو استخدامه في خلايا الوقود fuel cells التي تشغّل محركات سيارات المستقبل، خيارا مغريا لأسباب عديدة. فهو  يحضّر محليا من مجموعة كبيرة من خامات كيميائية ومن مصادر طاقة أخرى (مثل مصادر الطاقة المتجددة ومن مصادر نووية وكذلك من مصادر الوقود الأحفوري fossilfuel) وهو غاز نظيف وغير سام يمكن أن يشكّل مصدر طاقة للآلات المتعددة الأنواع، وعند احتراقه لا يطلق أي ملوثات بيئية، مثل غاز ثنائي أكسيد الكربون المكوّن الفعّال في غازات الدفيئة. وحين حمله في خلايا الوقود التي تشبه في تركيبها البطاريات، يؤمن الهدروجين، عند احتراقه بالأكسجين، الطاقة اللازمة لتشغيل محركات السيارات التي تعمل بالكهرباء، ناشرا الحرارة ومخلفا الماء فقط كمنتج ثانوي [انظر: «نحو سيارات تعمل بالهدروجين»، مجلة العلوم، العدد (2005) 9، ص 16]. وقد يتعدى مردود وفعالية السيارات التي تعمل بخلايا الوقود ضعفي مردود السيارات العاملة حاليًا؛ كما قد يؤدي استخدام الهدروجين إلى تقديم المساعدة والعون لحل مسائل وأمور اجتماعية وبيئية مثل تلوث الهواء، وما يسببه من مخاطر على الصحة العامة وتغيرات المناخ العالمي والاعتماد على النفط المستورد.

ومع جميع هذه التوقّعات الإيجابية فإن عقبات أساسية تعترض استخدام غاز الهدروجين كوقود للسيارات. إن الطاقة التي تحملها كمية ما منه (1 كغ  مثلا) تزيد على ثلاثة أضعاف الطاقة التي تحملها الكمية ذاتها من الگازولين؛ لكن يتعذر علينا اليوم، بل يستحيل، حمل غاز الهدروجين وتخزينه في السيارات بالسهولة والإحكام اللذين يُحمل بهما الگازولين. ويعد أمر هذا الحمل والتخزين من أشد الأمور التقنية تعقيدا وأكثرها مدعاة للإثارة والتحدّي، إذ كيف يمكن أن نحمّل السيارة، بصورة آمنة ومحكمة، ما يكفي من غاز الهدروجين لتحقيق مستوى الأداء ولقطع المسافة المطلوبين. وليست مهمة الباحثين في هذا المجال يسيرة، إذ إن عليهم إيجاد الحلول المُثلى goldilocks التي تؤمن ضبط عمليات التخزين  وأمانها، وتأمين الوسيلة التي تتيح حمل ما يكفي من الهدروجين لقطع المسافة الدنيا المقبولة في يومنا وهي 300 ميل في خزان وقود لا يشكل حجمه مصدر إزعاج  لركاب السيارة ولمكان الأمتعة والحقائب فيها؛ وعليهم كذلك إيجاد الوسائل التي تتيح تحرر الوقود الغازي في درجات الحرارة الاعتيادية وانطلاقه بمعدلات تدفق تحقق للسيارات التسارع المطلوب على الطرق السريعة؛ كما تتيح إمكانية إعادة ملء الخزان في دقائق قليلة وبأسعار معقولة. علما بأن تقنيات تخزين وقود الهدروجين الغازي ما زالت حتى يومنا هذا قاصرة وبعيدة جدا عن تحقيق هذه الأهداف.

لذلك يبذل الباحثون العاملون في صناعة السيارات، في كافة القطاعات الحكومية والأكاديمية ومراكز الأبحاث، في جميع أرجاء العالم جهودا كبيرة لتدارك هذا القصور والتغلب عليه. كما أن الاتفاقية التي وقعتها الوكالة الدولية للطاقة سنة 1977 حول استخدام الهدروجين تضم اليوم أكبر مجموعة  دولية تعالج قضايا تخزين الهدروجين، حيث يعمل فيها أكثر من 35 باحثا في ثلاثة عشر بلدا؛ كما أن الشراكة العالمية لاقتصاد الهدروجين التي تشكلت في سنة2003، تضم اليوم 17 حكومة التزمت كلها بدعم تقانات استخدام الهدروجين وخلايا الوقود.  كما وضعت وزارة الطاقة في الولايات المتحدة الأمريكية في سنة2005 مشروعا وطنيا  لتخزين الهدروجين يشارك فيه ثلاثة مراكز أبحاث متميزة والعديد من الصناعات  والجامعات ومختبرات الأبحاث الفدرالية في مجالات أبحاث أساسية وتطبيقية. وقد قدّم هذا المشروع في عام 2006 أكثر من 30 مليون دولار لتمويل نحو 80 مشروع بحث.

عوائق البنى التحتية^(***)

يعد الحجم الكبير للمواضيع الذي تطرحه مسألة خلايا الوقود الهدروجيني أحد العوائق التي تحول دون تبنّي هذه الخلايا على نطاق واسع في السيارات والشاحنات. فالناقلات العاملة في الولايات المتحدة وحدها تستهلك نحو 383مليون گالون من الگازولين في اليوم (أي ما مقداره 140 بليون گالون في  السنة)،  وهو ما يشكل نحو ثلثي الاستهلاك القومي من النفط، الذي تستورد أكثر من نصفه من بلاد تقع في ما وراء البحار. لذلك تبدو الحاجة واضحة إلى استثمار مبالغ طائلة لتحويل صناعة السيارات في الولايات المتحدة إلى صناعة سيارات تعمل بخلايا الوقود، وكذلك لتحويل شبكة مصافي تكرير النفط ومحطات توزيع مشتقاته المنتشرة في جميع أرجاء البلاد، إلى محطات يتم فيها التعامل مع كميات كبيرة من الهدروجين، كما أن على السيارات التي تعمل بخلايا الوقود أن تكون قادرة على منافسة السيارات الحالية من حيث رخص ثمنها وطول عمرها وجودة أدائها. وعليها أيضا تلبية متطلبات الأمان اللازمة والتغلب على الموقف السلبي للجمهور تجاهها، الذي لم تغب عن ذهنه ذكرى مأساة منطاد airship هندنبرگ في سنة 1937، التي لا يزال الناس يعتقدون أن غاز الهدروجين مسؤول عنها، على الرغم من توفر العديد من الأدلة الموثوقة التي تؤكد أن مسؤولية اشتعال الحريق في المنطاد تقع على طبيعة سطحه الخارجي القابل للاشتعال.

وترجع صعوبة تخزين كمية كافية من الهدروجين في السيارة إلى طبيعة هذه المادة. فالهدروجين، في درجة الحرارة الاعتيادية وتحت الضغط الجوي (الذي تبلغ قيمته 14.5 پاوند/بوصة مربعة⁽¹⁾، “psi”) يكون على شكل غاز تبلغ كثافته الطاقية 1/3000 من كثافة الگازولين الطاقية، وهذا يعني أن ملء  خزان سيارة اعتيادية سعته 20 گالونا بهذا الغاز تحت ضغط جوي واحد، يجعلها تسير مسافة 300 قدم فقط؛ لذلك يعمل المهندسون، بغية تحسين أداء الهدروجين، على زيادة  كثافته الطاقية في جميع أنظمة التخزين التي يعملون عليها.

يُعدُّ التوصل إلى جعل السيارات العاملة بوقود الهدروجين تقطع المسافة الدنيا المقدرة بنحو 300 ميل، أحد الأهداف العملياتية  الأساسية التي تسعى الجهود المشتركة الحكومية والصناعية إلى بلوغها من خلال  تطوير تقنيات متطورة لسيارات المستقبل. ويعتمد المهندسون لذلك طريقة مفيدة في حساباتهم مفادها أن گالونا واحدا من الگازولين، يعادل ـ من منظور طاقي ـ 1 كغ (2.2 پاوند من الهدروجين). وتحتاج السيارات العادية الحالية إلى نحو 20 گالونا من الگازولين لقطع مسافة 300 ميل، وهذا يعني أن سيارة نموذجية تعمل بخلايا الوقود سوف تحتاج إلى نحو 8 كغ من الهدروجين (بسبب مردوده العملياتي الأعلى).  وقد تحتاج سيارات أخرى، تبعا لنوعها وقياسها، إلى أكثر أو أقل من ذلك. وبيّنت التجارب المجراة على نحو 60 نموذجا من خلايا الوقود التي يطورها العديد من  الشركات المصنّعة للسيارات أن المسافة التي تقطعها سيارات الخلايا تراوح ما بين 100 و 190 ميلا.

وإذ يَجدُّ السعي نحو الوصول إلى هدف عملي قد يمكن بلوغه في عام 2010(حيث تتوقع بعض الشركات رؤية أول سيارات تعمل بخلايا الوقود  تسير على الطرقات)، يقارن الباحثون أداء تقانات تخزين مختلفة تسعى إلى حَمْل «علامة6% bench mark وزنا»، وهو ما يعني نظام تخزين يحوي 6% من وزنه هدروجينا، بحيث يمكن تخزين 6 كغ من الهدروجين في نظام تخزين يزن 100كغ، وهو قياس ملائم للسيارات. وعلى الرغم من صغر ما تبدو عليه هذه النسبة فإن الوصول إليها أمر عسير جدا، إذ إن أفضل ما يمكن تحقيقه اليوم، باستخدام خزانات تعمل تحت ضغوط منخفضة نسبيا، لا يصل إلى 2%. كما أن تصنيع نظم تخزين تقارب في حجمها حجم خزان الوقود في سيارة اعتيادية تعمل بالگازولين، قد يكون أكثر صعوبة، لأن جزءا كبيرا من الحيز المخصص له سوف يُشغل بالخزان والصمامات والأنابيب والمنظِّمات والمِحسّات وتدابير العزل الحراري وأمور أخرى يتطلبها حمل 6 كغ من غاز الهدروجين. وأخيرا فإن على نظام التخزين أن يكون قادرا على إطلاق الهدروجين بمعدل يكفي ليكون أداء مجموع خلية الوقود والمحرك الكهربائي قادرا على تأمين الطاقة والتسارع اللذين يتوقعهما السائق.

تخزين الهدروجين^(****)

يجري تخزين الهدروجين اليوم في معظم نماذج السيارات العاملة بخلايا الوقود، التي يبلغ عددها بضع مئات، في أسطوانات تتحمل ضغوطا مرتفعة كتلك المستخدمة للغطس تحت الماء. وقد سمح التطور التقني الذي لحق بصناعة الخيوط الجراحية وبصناعة ألياف الكربون، بصنع خزانات شديدة المتانة وخفيفة الوزن يمكن حمل الهدروجين فيها تحت ضغط يراوح بين 5000 و 000 10 پاوند/بوصة مربعة psiَ (350 إلى 500 ضغط جوي) (انظر المؤطر في الصفحة 22). إلا أن زيادة الضغط المطبق على الخزان لا تعني بالضرورة زيادة كثافة الهدروجين فيه على نحو يتناسب وتلك الزيادة؛ فأفضل كثافة طاقة تم تحقيقها في خزانات بلغت قيمة الضغط المطبق عليها  000 10 پاوند/بوصة مربعة (وهي ما يقابل تركيزا للهدروجين مقداره 39 غرام/لتر) تبلغ نحو 15% من طاقة الگازولين الذي يحمله الحجم ذاته. وتحمل  خزانات الضغط العالي حاليا نحو 3.5% إلى 4.5 من وزنها هدروجينا. وقد صنعت شركة  فورد مؤخرا نموذج سيارة رياضية تعمل بمحرك هجين⁽²⁾ hybrid يتم فيه تخزين 4.5 كغ  من وقود الهدروجين في خزان تحت ضغط مقداره 5000 پاوند/بوصة مربعة، وتبلغ  المسافة العظمى التي تقطعها السيارة بهذا الوقود 200 ميل.

تتقبل وسائط النقل الكبيرة، مثل الباصات والشاحنات وسواها لكبر حجمها، خزانات الضغط العالي التي يتم فيها تخزين كميات كافية من الهدروجين، في حين لا تستطيع سيارات الركاب حمل مثل هذه الخزانات؛ كما أن تكلفة هذه الأخيرة تزيد بأكثر من عشرة أضعاف على تكلفة الخزانات المستخدمة حاليا في السيارات.

يمكن تحسين كثافة الهدروجين الطاقية بتخزينه مميّعا، حيث يتم احتواء أكبر قدر منه في الحجم المحدد لأي خيار محتمل. والهدروجين مثل أي غاز آخر، يتكاثف عند تبريده في درجة حرارة شديدة الانخفاض متحولا إلى الحالة السائلة؛ ويجري ذلك في درجة الحرارة ⁽ C253- ⁽³ وتحت الضغط الجوي العادي. وتبلغ كثافة الهدروجين السائل 71 غرام/لتر، وهو ما يعادل 30% من كثافة الگازولين  الطاقية. أما كثافة الهدروجين الوزنية التي يمكن تحقيقها في نظم التخزين فتتوقف على طبيعة تجهيزات الاحتواء والعزل فيها (انظر المؤطر في الصفحة 23).

إلا أن هناك عقبات كثيرة أمام استخدام الهدروجين المميّع. أولاها أن درجة غليانه الشديدة الانخفاض تقتضي تأمين تجهيزات تبريد شديدة الفعالية واتخاذ إجراءات احتياطية لضمان تدبره. كما يجب عزل خزاناته بصورة محكمة ومتقنة. وأخيرا فإن هذا التمييع يحتاج إلى طاقة تزيد على ما تتطلبه عملية انضغاط الغاز تحت ضغط مرتفع. تؤدي هذه المتطلبات إلى ارتفاع سعر وقود الهدروجين السائل، وإلى تدنّي مردود الطاقة الإجمالي لعملية التبريد الشديد (القريّة) cryocooling.

التحدي أمام عمليات التخزين(*****)    يجب أن يحمل نظام تخزين وقود الهدروجين ما يكفي منه لجعل السيارة تسير مسافة 300 ميل على الأقل؛ ويجب أيضا أن يكون مدمّجا، خفيف الوزن، يسهل تركيبه على  السيارة. ويتطلع الباحثون إلى التوصل في سنة 2010 إلى نظام تخزين يحوي 6% من  وزنه هدروجينا، ويحمل 45 غراما من الهدروجين في اللتر. قد يلبي هذا النظام  (الممثل  بالهدف الدائري في الشكل الأيسر) حاجة الجيل الأول من السيارات العاملة بخلايا الوقود، علما بأن أيا من الخيارات المتاحة في الوقت الحاضر لا يسمح ببلوغ هذا الهدف. وسوف تكون هناك حاجة في عام2015 لتحقيق أداء أفضل،  إلى تلبية متطلبات الأعداد المتزايدة من أنماط السيارات المتوفرة حينها. تأخذ  القيم المدونة أدناه بالاعتبار التجهيزات اللازمة لتشغيل كل واحد من الأنظمة المختلفة؛ فالكثافة الحجمية للهدروجين السائل، مأخوذا لوحده، تبلغ 71 غرام/لتر، وهي تنخفض إلى نحو40 غرام/لتر عند أخذ الخزان وملحقاته بالاعتبار.  ولا تظهر على  الشكل البيانات الخاصة بالمواد التي تمتز الهدروجين (انظر المؤطر في الصفحة 25) التي ما زالت في مراحل مبكرة من تطويرها، ولا تتوفر أي بيانات عن سعتها أو عن تكلفتها.  التكلفة التقديرية    سعات أنظمة تخزين الهيدروجين

ومع ذلك فقد عمدت إحدى شركات تصنيع السيارات، وهي الشركة BMW، إلى تبنّي هذه الطريقة؛ وهي تخطط لصنع سيارة خلال هذا العام، أطلقت عليها اسم «هدروجين 7»، بمحرك احتراق داخلي يعمل إما على الگازولين (لمسافة 300ميل)، أو على الهدروجين السائل (لمسافة 125 ميلا). وسوف تباع هذه السيارة على  نطاق محدود ولزبائن مختارين في الولايات المتحدة وفي بلدان أخرى تتوفر فيها محطات التزود بوقود الهدروجين.

الالتزاز (الاندماج) الكيميائي^(*******)

قد يستفيد الباحثون اليوم من كيمياء عنصر الهدروجين في سعيهم إلى إيجاد طرق تتيح لهم زيادة الكثافة الطاقية لوقوده. فجزيئاته، في حالته النقية وفي طوريه الغازي والسائل، تتشكل من ذرتين مرتبطتين إحداهما بالأخرى؛ إلا أنه يمكن ربط هذه الذرات كيميائيا بذرات بعض العناصر الأخرى على نحو تكون فيه أقرب، بعضها من بعض، ممّا في الهدروجين السائل. وتسعى أبحاث تخزين الهدروجين في الوقت الحاضر إلى إيجاد مواد يمكنها تحقيق هذا الغرض.

ويركز بعض الباحثين جهودهم على صنف من بعض المواد المعروفة باسم «هدريدات الفلزات metal hydrides العكوسة»، تم اكتشافها بمحض  المصادفة في مختبرات شركة فيليبس بهولندا سنة 1969، حين لوحظ أن سبيكة مصنوعة من فلزّي الساماريوم والكوبالت samarium-cobalt تمتص غاز الهدروجين عند وضعها  في جو مضغوط منه، كما يمتص الإسفنج الماء؛ وعند إبعاد هذا الضغط المرتفع يتحرر الهدروجين من السبيكة، وهذا يدل على أن له تأثير امتصاص عكوسا.

وما لبثت أبحاث مكثفة أخرى أن لحقت بخطى هذا الاكتشاف، فكان <J.رايلي> [في مختبر بروك هافن الوطني] و<G.ساندروك> [في مركز إنكو للأبحاث والتطوير بولاية نيويورك] رائدين في تطوير سبائك من هدريدات ذات قدرة ممتازة على امتصاص الهدروجين؛ وكان عملهم المبكر هذا الأساس الذي قامت عليه صناعة بطاريات هدريدات النيكل الواسعة الانتشار اليوم، والتي بلغت كثافة الهدروجين فيها قيما عالية جدا تزيد بنحو 150% على ما هي في الهدروجين السائل،  وحيث تتقارب ذرات الهدروجين فيما بينها إلى حد كبير بسبب حشرها بين ذرات الفلز في شبيكته البلورية crystal lattice [انظر المؤطر العلوي في الصفحة 24].

تمتلك هدريدات الفلزات العديدَ من الخصائص التي تجعلها تلبّي بصورة جيدة متطلبات الاستخدام في السيارات، فهي تؤمن كثافة هدروجينية أعلى مما يؤمنه الهدروجين السائل وتحت ضغوط منخفضة نسبيا تراوح بين 10 و100 ضغط جوي؛ كما أنها ثابتة بطبيعتها بحيث لا يحتاج حفظها وتخزينها إلى  بذل أي طاقة إضافية، مع حاجتها إلى طاقة حرارية لإطلاق الغاز الذي تختزنه. أما نقطة ضعفها⁽⁴⁾، فتكمن في كبر كتلتها، حيث يعد وزنها عائقا أمام تخزينها في السيارات. وقد توصل الباحثون في مجال الهدريدات الفلزية في الوقت الحاضر إلى تحقيق سعة هدروجينية فيها حدّها الأقصى 2% من وزنها الكلي، وهذا يعني الحاجة إلى نظام تخزين يزن 1000 پاوند (ويسمح للعربة بقطع مسافة 300 ميل)، وهو رقم  كبير جدا بالنسبة إلى السيارات العاملة في الوقت الحاضر والتي تزن نحو 3000 پاوند.

تركز دراسات هدريدات الفلزات في الوقت الحاضر على مواد تحوي بطبيعتها نسبة مرتفعة من الهدروجين، حيث يصار إلى تعديلها على نحو يتيح لها تلبية متطلبات أنظمة تخزين هدروجين تعمل في درجات حرارة قريبة من الدرجة ^oC100، وتحت ضغط يراوح بين 10 و 100 جو⁽⁵⁾، ويجعلها تطلق هدروجينها بسرعات تحقق التسارع الذي تتطلبه السيارات السريعة. هذا ولأن الكثير من هذه المواد العالية المحتوى من الهدروجين ثابتة إلى حد بعيد، فهي تحتاج لتسخينها إلى درجات حرارة مرتفعة نسبيا لإطلاق هدروجينها. فهدريد المگنيزيوم مثلا، الذي يحوي 7.6% من وزنه هدروجينا، يطلق غازه عند نحو الدرجة ^oC300. وإذا أردنا الاستفادة من الطاقة الحرارية الضائعة التي تحملها عوادم خلايا الوقود، التي تبلغ درجة حرارتها نحو^o C80، لإطلاق عملية تحرير الهدروجين من هدريد المگنيزيوم، وجب السعي إلى خفض درجة حرارة الإطلاق.

الهدريدات القليلة الثبات^(********)

يسعى الكيميائيان <J.J.فاجو> و<L.G.أولسن> [من مختبرات HRL في  كاليفورنيا]، كما يسعى باحثون غيرهم في مواقع أخرى، إلى استكشاف خيارات أو مقاربات ذكية للتغلب على الصعوبة التي يسببها ارتفاع درجة حرارة الإطلاق؛ وتجمع هدريداتهم «القليلة الثبات» مواد عدة تعمل على تبديل مسار التفاعل، بحيث تطلق المركبات الناتجة ما تحويه من هدروجين في درجات حرارة أكثر انخفاضا.

والهدريدات القليلة الثبات تنتمي إلى صنف من المواد المسماة الهدريدات المعقدة، والتي تحوي غاز الهدروجين في تركيبها. وقد ظنّ الكيميائيون لأمد طويل أن العديد من هذه المواد لا يصلح للاستخدام وقودا للسيارات. فهي مركبات غير عكوسة، إذ تحتاج بعد تفككها وإطلاقها ما تحمله من هدروجين، إلى معالجة لاحقة تعيدها إلى حالتها الأولية المهدرجة. وقد أدهش الكيميائيان <B.بوگدانوفيتش> و<M.شويكاردي> [من معهد ماكس پلانك لأبحاث الفحم في ألمانيا] عام 1996، حين قدّما الدليل على أن معقد هدريد آلانات الصوديوم يصبح عكوسا عندما يضاف إليه مقدار يسير من فلز التيتانيوم. وقد أطلق هذا العمل موجة من النشاط خلال العقد الماضي؛ فتم في مختبرات HRL تحضير معقد قليل الثبات  من بوروهدريد الليثيوم وهدريد المگنيزيوم يحمل، بصورة عكوس،9% من وزنه هدروجينا ويعمل في درجة الحرارة ^oC200. واعتُبر هذا التحسين أمرا جديرا بالملاحظة مع أن درجة حرارة عمل المعقد ظلت مرتفعة على نحو ما، وظلت سرعة انطلاق الهدروجين منه بطيئة جدا، وهذا يحول دون استخدامه وقودا للسيارات؛ ومع ذلك فقد كان عملا واعدا.

وعلى الرغم من القيود التي تحدّ من استخدام هدريدات الفلزات في الوقت الحاضر، فإن العديد من الشركات المصنعة للسيارات يُرى فيها الخيار الأفضل الذي يعمل تحت ضغط منخفض والأكثر قابلية للحياة على المدى القريب والمدى المتوسط. ففي شركتي تويوتا وهوندا، يخطط المهندسون المصمّمون لمقاربة هجينة في نظام يعمل فيه هدريد فلزي صلب تحت ضغط معتدل نسبيا (أخفض على نحو ملحوظ من psi 10 000)، وقادر كما يتوقعون، على قطع مسافة تزيد على 300 ميل. كما يدعم فريق من خبراء التخزين في شركة جنرال موتورز، من بينهم <S.جورجنسن> أبحاثا تجرى في بلدان عدة (من بينها روسيا وكندا وسنگافورة) عن طيف واسع من نظم هدريدات الفلزات. وتتعاون الشركة مع مختبرات سانديا الوطنية في برنامج يمتد على أربع سنوات، بمخصصات تبلغ10 ملايين دولار، لصنع نموذج نظام يعمل بمعقد هدريد  فلزي.

حوامل الهدروجين^(*********)

وهناك خيارات مقاربات أخرى تتمتع بميزة إمكانية عملها في السيارات بصورة جيدة، لكنها تواجه، بدورها، صعوبة تبدو في مرحلة التزويد بالوقود. ذلك أن هذه الهدريدات تحتاج إلى معالجات صناعية لإعادة تكوين مادتها المستهلكة، وهي خطوة ينبغي أن تتم  خارج العربة؛ إذ ما إن ينطلق الهدروجين المختزن في النظام المعتمد، حتى يُسلَّم ما تبقى منه إلى محطة تزويد بالوقود ليصار إلى معالجته في وحدة معالجة كيميائية (انظر المؤطر السفلي في الصفحة 24).

وقد درس فريق من الباحثين اليابانيين هذه المقاربة منذ أكثر من 20 سنة باستخدام نظام مكون من مادتي الديكالين والنفتالين. يتحول  الديكالين السائل (وصيغته C₁₀H₁₈) عند تسخينه إلى مركب كيميائي ذي رائحة واخزة، هو النفتالين (وصيغته C₁₀H₁₈)، حيث تتغير طبيعة الروابط الكيميائية في جزيء الديكالين، وتنطلق من هذا التحول خمسة جزيئات من غاز الهدروجين. ومع تعريض النفتالين إلى جو من غاز الهدروجين تحت ضغط معتدل، ينعكس هذا الإجراء، فيمتص النفتالينُ الهدروجينَ ويتحول ثانية إلى ديكالين decalin. (يبلغ وزن الهدروجين الممتص 6.2% من وزن النفتالين). ويعمل  الباحثان الكيميائيان <A.كوبر> و<G.بيز> [من شركة منتجات الهواء والكيميائيات في ولاية پنسلفانيا] على تقنيات مماثلة مستخدمين مركبات عضوية سائلة (ذات أساس هدروكربوني). كما يعمل باحثون آخرون⁽⁶⁾ على مواد سائلة جديدة تحمل الهدروجين، مثل البورانات الأمينية aminoboranes القادرة على تخزين كميات كبيرة من الهدروجين وإطلاقه في درجات حرارة معتدلة.

تصميم مواد جديدة^{(************)}

وتتوجه مقاربة أخرى لموضوع اختزان الهدروجين نحو مواد خفيفة الوزن وذات سطح نوعي كبير جدا، يمكن لجزيئات الهدروجين أن تلتصق بها (أو تُمتزَّ عليها) (انظر المؤطر في الصفحة المقابلة). وكما يتوقع المرء فإن كمية الهدروجين التي يمكن أن ترتبط بسطح مثل هذه المواد تتناسب مع مساحة هذا السطح. وقد أدت التطورات الحديثة في مجال الهندسة النانوية⁽⁷⁾ إلى تصنيع حشد من  مواد ذات سطح نوعي عالٍ جدا تبلغ قيمته في بعضها 5000^م2  للغرام الواحد، وهذا يعني إمكانية تغطية مساحة تبلغ ثلاثة أفدنة (نحو  000 12 ^م2) بملء ملعقة صغيرة من مسحوق هذه المادة. وتستدعي الاهتمام من بين هذه المواد، تلك المصنّعة من عنصر الكربون، وذلك لخفة وزنها وانخفاض تكلفتها وإمكانية تشكيل العديد من البنى النانوية القياس منها: من أنابيب نانوية إلى أنابيب على شكل أبواق مستدقة إلى الفوليرينات⁽⁸⁾fullernes  ذات الجزيئات الكروية الشكل، إلى الهلامات الهوائية (وهي أجسام صلبة ذات مسامية فائقة)؛ ومنها أيضا الكربون المنشَّط وهو مادة رخيصة الثمن، يمكنها اختزان حتى 5% من وزنها هدروجينا.

ومع ما لهذه البنى الكربونية ذات السطح النوعي المرتفع جدا من مزايا فإن أمامها جميعا عائقا مشتركا يحدّ من إمكانية استخدامها؛ فارتباط جزيئات الهدروجين بذراتها ارتباط واهٍ يقتضي معه حفظها في درجات حرارة شديدة الانخفاض وقريبة من درجة حرارة النتروجين السائل وهي C196-ْ .  لذلك يوجه الباحثون سعيهم فيها ـ على خلاف الباحثين في مجال الهدريدات الفلزية  الذين يسعون إلى خفض طاقة ارتباط الهدروجين بها ـ لاستكشاف وسائل ترفع من قيمة طاقة الارتباط هذه، وذلك بتعديل طبيعة سطوحها أو بإضافة مواد جديدة إليها تبدل من خصائصها؛ ويستخدم هؤلاء الباحثون نماذج نظرية لبنى كربونية بغية التوصل إلى تحديد الأنظمة الواعدة الأفضل تمهيدا لدراسات لاحقة تُجرى عليها.

وعدا هذه المقاربات التي تتوجه نحو مواد ذات أساس كربوني، فإن هناك مقاربة مغرية أخرى لهندسة نانوية تُوجه صوب مجموعة من مواد تعرف بالمواد العضوية-الفلزية، كان قد اكتشفها منذ سنوات قليلة <عمر ياغي> [أستاذ الكيمياء في جامعة ميتشيگان بآن هاربور، وهو حاليا في جامعة كاليفورنيا بلوس أنجلوس]. ويشار إلى هذه المواد بالرمز MOF’s، وهو ما يعني البنى العضوية الفلزية metal-organic framework’s. وقد بين <ياغي> والعاملون معه أنه يمكن تصنيع هذا الصنف الجديد من المواد البلورية ذات السطوح العالية المسامية، بربط  مركبات لاعضوية ببعضها بواسطة دعامات struts من مركبات عضوية (انظر المؤطر في  هذه الصفحة). ولهذه المركبات التركيبية بنى جميلة المظهر، كما يمكن التحكم في خصائصها الفيزيائية على نحو تغدو معه قادرة على تحقيق وظائف ومهام مرغوبة. كما أن لهذه البنى اللامتجانسة سطوحا نوعية كبيرة جدا تبلغ 5500 ^م2/غرام، ويمكن تكييفها بإقامة مواقع كيميائية عليها تحقق ارتباطا أفضل لجزيئات الهدروجين. وقد تمكن الباحثون حتى الوقت الحاضر من تصنيع بنى عضوية فلزية يمكنها حمل 7% من وزنها هدروجينا في الدرجة C196-ْ . وهم يتابعون البحث لدعم هذا الأداء وتحسينه.

وعلى الرغم من أن التقدم الذي تشهده حاليا طرق تخزين الهدروجين يعد مشجعا، فإن الوصول إلى المقاربة الأمثل لحل مسألة التخزين أمر يحتاج إلى الوقت ويتطلب الصبر والأناة والأبحاث الخلاقة والجهود التطويرية. لقد ظل الأمل ـ والتحدي ـ باستخدام الهدروجين في وسائط الانتقال، على حاله قرونا طويلة لم تلحقه فيها أية تغيرات أساسية. لقد حمل <جاك شارل> الهدروجين المعبّأ في حاوية خفيفة الوزن، والذي مكّنه من التنقل في الأجواء في منطاده في العقود الأخيرة من القرن الثامن عشر. وسوف يتيح إيجاد حاوية تحمل الهدروجين على متن السيارات إمكانية التنقل في أرجاء العالم في العقود القادمة من القرن الحادي والعشرين دون خشية من إفساد الجو وتلويث البيئة.

المؤلفون

Sunita Satypal – John Petrovice – George Thomas

 يعملون جميعا في برنامج وزارة الطاقة بالولايات المتحدة الأمريكية في مجال الأبحاث التطبيقية والتطويرية لتقانة تخزين الهدروجين. شغل <ساتيابال> عدة مناصب في الجامعات وفي الصناعة، وهو الآن رئيس الفريق العامل في وزارة الطاقة في مجال الأبحاث التطبيقية والتطويرية لتقانة تخزين الهدروجين. أما <پيتروفيتش> [وهو متقاعد حاليا]، فزميل في المختبر الوطني بلوس ألاموس ومستشار في وزارة الطاقة وعضو في كل من جمعية الخزف الأمريكية والجمعية الأمريكية للمواد. أما <توماس> [وهو الآن مستشار لدى وزارة الطاقة] فذو خبرة تمتد لأكثر من ثلاثين سنة في دراسة تأثيرات الهدروجين في الفلزات بمختبرات سانديا الوطنية. إن الآراء الواردة في هذه المقالة تعبر عن وجهة نظر المؤلفين ولا تعبر عن آراء وزارة الطاقة في الولايات المتحدة الأمريكية.

  مراجع للاستزادة 

The Hydrogen Economy: Opportunities, Costs, Barriers, and R8D Needs. National Research Council and National Academy of Engineering. National Academies Press, 2004. Available at www.nap.edu/catalog.php?record_id=10922

Hydrogen Program:2006 Annual Merit Review Proceedings.

U.S. Department of Energy. Available at www.hydrogen.energy.gov/annuaI_review06_proceedings.htmI

United States Counci1 for Automotive Research:www.uscar.org

International Energy Agency’s Hydrogen implementing Agreement: www.ieahia.org

International Partnership for the Hydrogen Economy: www.iphe.net

(*) GASSING WITH HAYDROGEN

(**) Overview/ Hydrogen storage

(***) Infrastructural Hurdles

(****) Containing Hydrogen

(*****) The storage Challenge

(******) COMPRESSED HYDROGEN

(*******) Chemical Compaction

(********) Destablilized Hydrogen

(*********) Hydrides Carriers

(**********) LIQUID HYDROGEN

(***********) COMPLEX HYDRIDES

(************) Designer Materials

(*************) CEMICAL HYDRIDES

(**************) HYDROGEN ADSORBENTS

(1) رطل إنكليزي لكل بوصة مربعة.

(2) وهو محرك يعمل بالگازولين كما يعمل بخلايا الوقود.

(3) degree celsius

(4) projected system

(5) Achilles’heel

(6) atmospheres

(7) من بينهم <S.توماس أوتري> وفريقه [في المختبر الوطني لشمال غرب الپاسيفيك] وأستاذ الكيمياء<G.L.سيدون> [في جامعة پنسلفانيا].

(8) أي بمقياس النانو، وهو ما يعادل 10^-9 من وحدة القياس المعتمدة؛ فالنانومتر يعادل 10^-9 متر.

(9) الفولّيرين هو الشكل المتغاير الرابع لعنصر الكربون في الطبيعة. وتتكون بنيته من حلقات خماسية وحلقات سداسية متجاورة مترتبة على شكل كرة قدم. اكتشفه في سنة 1985 المهندس المعماري <فولّرين بوكمينستر>، ومنه أخذ اسمه. أما الأشكال الثلاثة الأخرى لعنصر الكربون فهي الكربون عديم الشكل والماس والگرافيت.                   (التحرير)