حُمَّى الهيدروجين الذهبي: هل تحتوي الأرض على وقود نظيف لا حدود له تقريبا؟

بقلم جيمس دينين

عندما خرجنا بالسيارة من مسقط، أفسحت المباني البيضاء في العاصمة العمانية المجال أمام مساحة من الرمال المفتوحة أمام جبال الحجر التي تثير الرهبة في النفس. واستغرق الأمر ساعتين للوصول إلى وجهتنا، وكادت سيارة الدفع الرباعي SUV في رحلتنا هذه أن تعلق في الأزقة الخلفية الضيقة لإحدى البلدات. لكن في نهاية المطاف، وصلنا أنا وعالم الجيوفيزياء عمار العلي إلى نبع هادئ في الصحراء، محاط بالأعشاب الذهبية وأشجار النخيل. نظر العلي متحسِّرا إلى تيار من الفقاعات في بركة من الماء وقال: «إنها طاقة ضائعة».

لقد قصدت هذا المكان لأن جبال عُمان تتصدر البحث العالمي عن وقود جديد قد يكون ذا إمكانات تحويلية، يسمى أحيانا بـ «الهيدروجين الذهبي» Gold hydrogen. يتمتع هذا الغاز، عديم اللون والرائحة، بمؤهلات بيئية جيدة لأنه يحترق احتراقا نظيفا، ولا ينتج شيئا سوى الماء. غير أننا في العادة نصنعه بعملية كثيفة الانبعاثات. لكنه هنا في جبال عمان – وفي أماكن ذات جيولوجيا مماثلة في معظم أنحاء العالم – يولد بصورة طبيعية تحت الأرض، وربما بكميات هائلة.

ويقول مؤيدو استخدام هذا الشكل من الهيدروجين إنه يمكن أن يسرِّع انتقالنا إلى الصافي الصفري Net zero، وهو ما يفسر تنقيب الباحثين والشركات الناشئة عنه على نطاق واسع. ومع ذلك، مازالت هناك العديد من الأسئلة العالقة، ليس أقلها شأنا السؤال عن الكمية الفعلية وما إذا كان من الممكن استغلالها بسهولة. أمّا العلي، المؤسس المشارك لشركة الموارد الجيولوجية إيدن جيوبور Eden GeoPower، فإنه يريد اختبار شيء أكثر طموحا: هل يمكننا تحفيز الأرض لزيادة كمية الهيدروجين التي تنتجها؟

راودتنا أحلام الاقتصاد المدفوع بالهيدروجين لعقود. ويعني هذا عالما تعمل فيه الشاحنات والسفن والطائرات والصناعات الثقيلة بغاز يحترق احتراقا نظيفا بدلا من الوقود الأحفوري القذر. المشكلة هي أن علينا حاليا أن نصنع الهيدروجين بأنفسنا، الأمر الذي يتطلب طاقة ويحدث المزيد من التلوث. الآن، يجري تأمين ما يستخدمه العالم كل عام، وهو نحو 100 مليون طن، بمفاعلة الغاز الطبيعي مع البخار، وهي عملية تؤدي إلى إطلاق كميات هائلة من ثاني أكسيد الكربون. هناك طرق أنظف لصنع الهيدروجين (انظر: قوس قزح الهيدروجين، أدناه)، بما في ذلك «الهيدروجين الأخضر» Green hydrogen، الذي يصنع من الماء باستخدام الطاقة المتجددة، لكن الدور الذي تؤديه هذه الطرق حاليا ثانوي في الصناعة.

كم تحتوي الأرض على الهيدروجين الطبيعي؟
وفي جميع الحالات، من الأفضل النظر إلى الهيدروجين الاصطناعي باعتباره وسيلة بديلة لتخزين الطاقة. أما الإمداد الطبيعي فقد يكون مصدرا فعليا للطاقة. وعلى الرغم من كون الهيدروجين العنصر الأكثر وفرة في الكون، إلا أن معظم الباحثين يعتقدون أن مخزون الأرض منه في شكله الغازي شحيح. في بعض الأحيان، يجده الحفارون الذين يبحثون عن الوقود الأحفوري في الآبار، كما يراه مستكشفو المحيطات يتدفق من فتحات قاع البحر. لكن لم يكن أحد يبحث بصورة فاعلة عن الهيدروجين، واعتبرت هذه الاكتشافات استثناءات؛ كان يعتقد أن الهيدروجين شديد التفاعل لدرجة أنه لا يتراكم بكميات كبيرة.

شكَّك في هذا الافتراض في عام 2012 حين عثر على بئر مياه بالقرب من بلدة بوراكيبوغو Bourakébougou في مالي تحتوي على احتياطي كبير من الهيدروجين. فهذا الغاز موجود بصورة طبيعية، مما يعني أن مدخلات الطاقة الوحيدة المطلوبة لإنتاجه هي تلك اللازمة لجمعه. ويطلق على هذا النوع من الهيدروجين عدة أسماء – الهيدروجين الأبيض White hydrogen والهيدروجين الطبيعي Natural hydrogen، وكذلك الهيدروجين الذهبي – لكن من الأنسب أن نسميه الهيدروجين الجيولوجي Geologic hydrogen. ومنذ ذلك الاكتشاف، أدت موجة من عمليات التنقيب إلى اكتشاف ما قد يكون خزانات كبيرة تحت الأرض في فرنسا وإسبانيا وأستراليا. ووجدنا أيضا أدلة على وجود هذا الهيدروجين في مساحات مترامية من الكرة الأرضية (انظر: الخريطة أدناه).

وتحفر حفنة من الشركات آبارا استكشافية في الولايات المتحدة، بما في ذلك شركة ناشئة متكتمة تدعى كولوما Koloma، مدعومة بنحو 100 مليون دولار من شركة بيل غيتس Bill Gates لرأس المال )المجازف) الاستثماري Venture capital. يقول إريك غوشي Eric Gaucher، المستشار المستقل في فرنسا الذي ترك شركة كبيرة للنفط والغاز سعيا وراء الهيدروجين الطبيعي: «هناك الكثير من الأشخاص الذين يبحثون في جميع أنحاء الكوكب. سيجد أحدهم شيئا كبيرا واقتصاديا جدا. أنا متأكد من ذلك».

في العقد الماضي أو نحو ذلك، كان الحماس للهيدروجين الجيولوجي محصورا إلى حد كبير بعدد قليل من المؤمنين الفعليين بالصناعة. ثم، في عام 2022، راجع الباحثون في هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية US Geological Survey تقديراتهم لكمية هذا الغاز التي يمكن أن تكون موجودة في الأرض بناء على المعرفة المحدودة عن كيفية تكوينه. وتشير نمذجاتهم Models إلى أنه من الممكن أن يكون هناك تريليونات من الأطنان، وهذا أكثر بكثير مما توقعه أي أحد سابقا. إن أمكن استخراج جزء من هذا، فإنه سيفي بمتطلباتنا المتوقعة من الهيدروجين لقرون. ولدت هذه النتائج تغطية إعلامية واسعة النطاق. يقول أفون ماكنتاير Avon McIntyre، من شركة هاي تيرا HyTerra الأسترالية التي تركز على الهيدروجين الجيولوجي: «تحول الأمر من مجرد حداثة هامشية إلى جذب مباشر لانتباه الجميع».

ولهذا الاهتمام ما يبرره. إذ يقول غوشي إن تلبية 20 أو 30% من احتياجاتنا المتزايدة من الهيدروجين من هذه المصادر يمكن أن تتيح كميات هائلة من الطاقة النظيفة التي كانت لتستخدم لإنتاج الهيدروجين الأخضر. وقد تكون مصادر متجددة إذا ولد فيها الهيدروجين باستمرار تحت السطح.

لكن من ناحية أخرى، هناك أسباب تدعونا إلى التحفظ بشأن ما يسمى «حُمَّى الهيدروجين الذهبي» Gold hydrogen fever. لا تزال الكمية الفعلية للهيدروجين الذي يحتويه الكوكب والكمية التي قد يكون بمقدورنا استخراجها غير مؤكدتين. ومن غير الواضح بدقة كيفية تشكل الهيدروجين الجيولوجي. ويعتقد الباحثون أن مصدر جزء منه على الأقل من التسرب التدريجي إلى القشرة Crust من الوشاح Mantle الموجود أسفلها، حيث تراكم أثناء تكون الأرض. قد يتولد جزء آخر بقسم الصخور المشعة الماء إلى أكسجين وهيدروجين. وهناك أيضا عملية التحول إلى السربنتينيت Serpentinisation، إذ تتفاعل المياه الجوفية مع المعادن الغنية بالحديد في الصخور، مثل الزبرجد الزيتوني (أوليفين) Olivine، فيتكون أكسيد الحديد Iron oxide وغاز الهيدروجين.

يضع معظم صيادي الهيدروجين الجيولوجيين عملية التحول إلى السربنتينيت نصب أعينهم. يقول فياتشيسلاف زغونيك Viacheslav Zgonnik – الذي حفرت شركته، ناتورال هيدروجين إنيرجي Natural Hydrogen Energy، بئرا بحثا عن الغاز في نبراسكا العام الماضي – إن الفكرة هي أن الأماكن التي تحتوي على الكثير من الصخور الغنية بالحديد قد تولد أيضا الكثير من الهيدروجين. يبحث المنقبون الأكثر فطنة عن منطقة من الصخور الغنية بالحديد المغطاة بطبقة كتيمة تعزل الوقود الثمين فيتراكم تحت الأرض.

تتبع الشركات الأخرى التي تبحث عن الهيدروجين في الغرب الأوسط الأمريكي هذا الأساس، بما في ذلك كولوما وهاي تيرا. وبالمثل، يقول غوشي إن هناك رواسب اكتشفت حديثا في جبال البرانس Pyrenees الممتدة بين فرنسا وإسبانيا، يمكن أن تحتوي على عشرات الملايين من الأطنان من الهيدروجين، وقد يكون سبب هذا هو وجود نتوء من صخور الوشاح الغنية بالحديد قريب بصورة غير عادية من السطح.

وفي عُمان، يمكن الوصول إلى هذه الجيولوجيا الغنية بالحديد بسهولة أكبر بفضل الماضي التكتوني الفريد للمنطقة. فقبل أقل من 100 مليون عام، اصطدمت الصفيحة التكتونية Tectonic plate الموجودة أسفل بحر العرب Arabian sea بصفيحة تحت اليابسة. عادة ما تؤدي مثل هذه الأحداث إلى دفع القشرة إلى الأسفل نحو الوشاح، لكنها في هذه الحالة دفعـت إلى الأعلى، وهي عملية تعرف بالتراكب التكتوني Obduction. وكانت نتيجة ذلك هي جبال الحجر. إنها أكبر منطقة متكشفة لصخور الوشاح على الكوكب، وتتكون في معظمها من البيريدوتيت Peridotite الغني بالحديد الذي لا يمكنك إلا أن تطأه لوفرته. في زيارتي، في واد تتناثر فيه جلاميد هذه المادة الخضراء ذات الخطوط البيضاء، خلعنا أحذيتنا لعبور جدول يتدفق فوق الصخور التي كانت ذات يوم على الحدود بين وشاح الأرض والقشرة الأرضية.

كيف نعثر على الهيدروجين الطبيعي
قد تكون هناك طريقة أخرى لتحديد المناطق المناسبة لاستخراج الهيدروجين. وتضمنت إحدى الجلسات التي عقدت في مؤتمر الاتحاد الجيوفيزيائي الأمريكي American Geophysical Union في ديسمبر الماضي بحثا حول استخدام تعلم الآلة Machine learning لتحديد حلقات التربة العارية  Rings of bare soil – والتي تسمى أحيانا دوائر الجنيات Fairy circles – في صور الأقمار الاصطناعية. يقول يواكيم مورتغات Joachim Moortgat من جامعة ولاية أوهايو Ohio State University، والذي ساهم في هذا العمل، إنه جرى قياس الهيدروجين في التربة في أكثر من 50 دائرة من هذه الدوائر، إلا أن العلاقة بين الغاز وهذه التكوينات الغامضة لا تزال غير واضحة.

على الرغم من الإثارة في هذا الأمر، إلا أن الهيدروجين الجيولوجي كوقودا له عيوبه، خاصةً حين يتعلق الأمر بنقله لمسافات طويلة. بداية، الغاز قابل للانفجار. ولأنه يشغل حجما كبيرا، فإن علينا ضغطه أو تحويله إلى مواد كيميائية أخرى، مثل الأمونيا السائلة Liquid ammonia، كي نتمكن من نقله بسهولة. وقد يتعين علينا بناء خطوط أنابيب جديدة لنقله من المواقع النائية إلى الموانئ أو المدن.

سيكون مفيدا تجنب الاعتماد على الوجود العرضي لتراكمات الهيدروجين، وتحفيز الأرض بدلا من ذلك لإنتاج الغاز إنتاجا موثوقا  به في مناطق أكثر ملاءمة. وهذا ما يعمل عليه الآن عدد من الباحثين والشركات. وتشارك وزارة الطاقة الأمريكية US Department of Energy (اختصارا: الوزارة DoE) أيضا، إذ خصصت 20 مليون دولار لهذه الجهود. والفكرة هي استكشاف طرق لتسريع عملية التحول إلى السربنتينيت، وبذلك يتشكل الهيدروجين من الأرض. يقول دوغ ويكس Doug Wicks، الذي يدير برنامج الوزارة DoE: «يمكننا أن نزيد من المناطق التي يتوفر فيها هذا المورد زيادة كبيرة».

جبال الحجر مكان مثالي لاختبار هذه الفكرة، إذ تتمتع بجيولوجيا مفهومة فهما جيدا، وبصخور البيريدوتيت الغنية بالحديد، وبأدلة واضحة على أن الهيدروجين ينبثق من الأرض. وبعد ورشة عمل شاركت فيها الوزارة DoE والحكومة العمانية في نوفمبر 2023، وضعت خطط لحفر أول بئر هيدروجين محفَّز في العالم هنا في وقت لاحق في عام 2024.

وأخذني العلي، الذي أدى دورا مركزيا في تنسيق هذا العمل، إلى أحد المواقع الأربعة المحتملة للبئر. سافرنا عبر أزقة بلدة صغيرة تدعى الحيلين – حيث كادت سيارتنا أن تعلق هناك – وخرجنا منها إلى الوادي. وغطت طبقة تشبه الجليد (في الصورة أدناه) العديد من البرك التي تنبثق منها فقاعات الهيدروجين. وكانت في الواقع طبقة معدنية غبارية تشكلت من التفاعلات بين الكالسيوم المتسرب من البيريدوتيت وثاني أكسيد الكربون في الهواء. 

أخبرني العلي بأن مشروع التحفيز التجريبي سيتضمن حفر سبر Borehole واحد على الأقل إلى عمق سيتراوح بين 400 و600 متر. وسيقاس معدل إنتاج الهيدروجين الجيولوجي ثم سيجرب الفريق بعد ذلك طرقا مختلفة لتحفيز تفاعل توليد الهيدروجين، بما في ذلك حقن الماء وتسخين الصخور. إضافة المحفزات الكيميائية هو خيار آخر، لكنه خيار لم يخطط الباحثون لاختباره بعد. تقول ألكسيس تمبلتون Alexis Templeton من جامعة كولورادو بولدر University of Colorado Boulder، وهي الباحثة الرئيسية في المشروع: «هناك الكثير من الإشكاليات التي يجب التعامل معها أولا». وتقول إن الهدف هو زيادة معدل إنتاج الهيدروجين بمقدار 10,000، وهي النقطة التي يصير فيها مجديا تجاريا.

هل يمكننا تحفيز إنتاج الهيدروجين الطبيعي؟
وللمساعدة على تحقيق ذلك، سيحاول الفريق اتباع استراتيجية جديدة لتفتيت الصخور في أعماق الأرض لزيادة مساحة السطح المعرضة للمياه المحقونة. وهذه الطريقة التي طورتها شركة إيدن جيوبور تشبه عملية التصديع المائي Fracking للغاز الطبيعي، لكن باستخدام الكهرباء بدلا من الماء. يقول بول كول Paul Cole، رئيس قسم الهندسة تحت السطح في شركة إيدن جيوباور، إن إرسال تيار عالي الجهد بين الأقطاب الكهربائية المغمورة في الأرض سيسخن المسام المجهرية في الصخور، مما سيؤدي إلى تمددها في هيئة «شبكة عنكبوتية تحت الأرض بأنماط تشبه تعرجات البرق».

هناك عدة أسباب قد تحول دون عمل المشروع بالصورة المأمولة. إذ قد تسد المسام الموجودة في الصخر، مما سيؤدي إلى احتجاز الهيدروجين. أو قد تصير مدخلات الطاقة المطلوبة مرتفعة ارتفاعا عاليا فيتعذر استخدامها. إضافة إلى ذلك، يقول تمبلتون إن هناك مجتمعات من البكتيريا تعيش في صخور عمان وتتغذى على الهيدروجين. ولا أحد يعرف كيف سيكون رد فعلها حين تزداد كمية الهيدروجين. قد تتضخم أعدادها، مما يخلق حشدا من الميكروبات التي تلتهم معظم الوقود قبل أن يجمع. ربما لا يمثل هذا مشكلة بالنسبة إلى مشروعات الحفر في الآبار الأسخن والأعمق، لكن الصخور في عمان «حية» بحسب وصف تمبلتون.

ويقول باحثون خارجيون إن الهدف المتمثل بزيادة معدل إنتاج الهيدروجين في مثل هذه الآبار بمقدار 10,000 هو هدف قابل للتنفيذ، لكن النجاح غير مضمون. يقول توتي لارسون Toti Larson من جامعة تكساس University of Texas في أوستن، والذي لم يشارك في المشروع: «سوف يتطلب الأمر بعض التفاعلات الكيميائية المبتكرة كي ينجح الأمر».

هناك أيضا بعض المخاطر البيئية. على سبيل المثال، من غير الواضح كمية المياه التي سيتطلبها المشروع. إن استخدام كميات كبيرة في مكان قاحل مثل عمان قد يثير الاستياء، لكن العلي يقول إن الخطة تهدف إلى استخدام مياه الصرف الصحي غير الصالحة للشرب أو المياه الجوفية لإجراء الاختبارات. تقول مينغلي تشانج Mengli Zhang من كلية كولورادو للمناجمColorado School of Mines، وهي غير مشاركة في هذا العمل، إن علينا أيضا أن نكون على دراية بمخاطر وقوع الزلازل الصغيرة الناجمة عن حقن المياه.

وإذا سارت الأمور على ما يرام، فإن عُمان، وهي دولة معروفة بنفطها وغازها، قد تصير رائدة في مجال الهيدروجين الجيولوجي. وقد تطال التأثيرات ما هو أبعد من حدودها وتعطي جهودنا لتزويد الكوكب بالطاقة بدون الوقود الأحفوري دفعة قوية. يقول ويكس: «هناك الكثير من الأشخاص الأذكياء الذين يعملون على هذا الأمر الآن. وأتوقع بعض الأفكار الجريئة المُزلزِلة لكيفية استخراج الهيدروجين من الأرض».

قوس قزح الهيدروجين
صحيح أن الهيدروجين غاز عديم اللون، لكن العاملين في الصناعة يرونه بعدة ألوان اعتمادا على مؤهلاته البيئية.

الأسود
ينتج هذا الهيدروجين بإزالة الغاز Degassing من الفحم. تنتج هذه العملية الكثير من ثاني أكسيد الكربون، ولم تعد شائعة.

الرمادي
تبدأ هذه الطريقة بالغاز الطبيعي وتولد الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون، مما يجعلها منتجا مهمَّا لغازات الدفيئة Greenhouse gas. إنها الطريقة الأكثر شيوعا لإنتاج الهيدروجين لأنها رخيصة الثمن.

الأزرق
مثل الهيدروجين الرمادي، باستثناء أن ثاني أكسيد الكربون يحتجز ويخزن تحت الأرض، مما يعني أنه أقل مساهمة في ظاهرة الاحترار العالمي Global warming.

الفيروزي
هذا النهج ابتكار جديد نسبيا، وفيه يقسم الغاز الطبيعي إلى هيدروجين وكربون صلب، مما يعني عدم انبعاث ثاني أكسيد الكربون. وقد يكون أرخص من الهيدروجين الأخضر (أدناه)، لكن التكنولوجيا تحتاج إلى تطوير.

الأخضر
الطريقة الأكثر صداقة للبيئة لإنتاج الهيدروجين. تستخدم الكهرباء المولدة من مصادر متجددة لتحليل الماء كهربائيا إلى أكسجين وهيدروجين.

الذهبي
يطلق عليه أحيانا الهيدروجين الأبيض (أو الهيدروجين الطبيعي أو الجيولوجي)، وهو الغاز الموجود بصورة طبيعية في أعماق الأرض ويمكن حصاده بالحفر، دون الحاجة إلى استخدام الطاقة لتصنيعه. وإذا أمكن العثور على ما يكفي منه وجمعه، فإن هذا قد يجعله وقودا نظيفا وواعدا بالكثير (انظر: المقالة الرئيسية).

© 2024, New Scientist, Distributed by Tribune Content Agency LLC