لم يألُ العلماء جهداً في دراسة خلايا الوقود منخفضة الحرارة التي تعمل بالميثان أو الهيدروجين، بيد أن الحظ عاندهم وأفشل جهودهم في تسخير تقنيات هذه الخلايا الموجودة حالياً في استخدام الكتلة الحيوية مصدراً للوقود بسبب عدم وجود نظام محفز فاعل مع المواد البوليمرية . 

 

ومع استمرار الجهود والإصرار على النجاح، تمكن باحثون في معهد جورجيا للتكنولوجيا من تطوير نوع جديد من خلايا الوقود منخفضة الحرارة لها قدرة على تحويل الكتلة الحيوية مباشرة إلى كهرباء، بمساعدة عامل محفز يتم تنشيطه بطاقة شمسية أو حرارية . 

ولخلية الوقود المهجنة الجديدة القدرة على استخدام مصادر متنوعة من الكتلة الحيوية، منها النشا، والسيليوز، واللغنين، وحتى التبن، والخشب المجفف، والطحالب، ومخلفات إنتاج الدواجن . 

وبحسب الباحثين، يمكن استخدام التقنية الجديدة لتزويد وحدات صغيرة بالكهرباء، كما يمكن استخدامها في إمداد المرافق الكبيرة بالطاقة، في ظل توافر كميات هائلة من الكتلة الحيوية . 

يولين دينغ، أستاذ الهندسة الكيميائية والجزيئات الحيوية في معهد جورجيا للتكنولوجيا، يقول "نجحنا في ابتكار طريقة جديدة بها يمكن معالجة الكتلة الحيوية في درجة حرارة الغرفة العادية، وما من قيود على مصدر الكتلة الحيوية الذي سوف تستخدمه التقنية، فيمكنها التعامل مع جميع أنواعها ، وبهذا سنتمكن من الاستفادة من كميات هائلة من الكتلة الحيوية والفضلات العضوية لإنتاج كهرباء من دون الحاجة إلى تنقية المواد المستخدمة" . 

وكدأب العلماء دائماً، نجحوا في مواجهة تحدٍ كبيرٍ واجههم في ما يتعلق بخلايا الوقود من الكتلة الحيوية، ألا وهو صعوبة تكسير روابطها الكربونية، الكربونية عبر المحفزات التقليدية بما فيها المعادن الثمينة، بحسب دينغ . وللتغلب على المشكلة، ابتكر الباحثون خلايا وقود ميكروبية تساعد الميكروبات أو الإنزيمات فيها على تكسير الروابط الكربونية - الكربونية في الكتلة الحيوية، بيد أن للطريقة هذه عيوبها الكثيرة، فناتج الطاقة من خلايا كهذه محدود للغاية، كما أن الميكروبات أو الأنزيمات تنتقي أنواعه بعينها من الكتلة الحيوية لتكسير روابطها الكربونية، إضافة إلى إمكانية إجهاض عمل النظام الميكروبي من قبل عوامل متعددة . 

وتمكن دينغ وفريقه من الالتفاف على هذه العقبات بتعديل العملية الكيميائية بحيث تسمح لمصدر طاقة خارجي بتنشيط تفاعل أكسدة واختزال خلايا الوقود . 

وفي النظام الجديد تصطف الكتلة الحيوية ممزوجة بمحفز البوليوكسوميتاليت (POM) في محلول ثم يعرض بعد ذلك لضوء الشمس أو لحرارتها، ويلعب محفز البوليوكسوميتاليت الضوئي والحراري دورين مزدوجين، أحدهما كعامل مؤكسد وناقل للشحنة، فيؤكسد المحفز الكتلة الحيوية تحت إشعاع حراري أو ضوئي، ثم ينقل الشحنات من الكتلة الحيوية إلى القطب الكهربائي الموجب (الأنود) في خلية الوقود وتنقل عندئذ الإلكترونات إلى الكاثود (القطب السالب) حيث تتأكسد بالأكسجين عبر دائرة كهربائية خارجية لإنتاج الكهرباء . 

يقول دينغ "إذا خلطت الكتلة الحيوية بعامل محفز في درجة حرارة الغرفة العادية، لن تتفاعل معاً، إلا أنه إذا عرضت والمحفز للحرارة أو الضوء يبدأ التفاعل، فمحفز POM بمثابة وسيط لأنه لا يمكن للأكسجين النفاذ مباشرة إلى الكتلة الحيوية، وللنظام مميزات متعددة، أهمها دمج تكسر الكتلة الحيوية الضوئي والحراري الشمسي في عملية كيميائية واحدة، كما أنه لا يتطلب استخدام معادن ثمينة باهظة التكاليف كقطب موجب لأن التفاعل الناتج عن أكسدة الوقود يحفزها POM الموجود في محلول" . وأخيراً، وبفضل ثباته كيميائياً يمكن للخلية المهجنة استخدام كتلة حيوية بوليمرية غير منقاة من دون النظر إلى الخاصية السمية لأنودات المعادن الثمينة، كما يمكن استخدام النظام للكتلة الحيوية في صورة محلول، أو استخدام المواد العضوية المذابة في محلول . 

وأثناء التجارب، امتد عمل خلايا الوقود لأكثر من 20 ساعة، بما يدلل على إمكانية إعادة استخدام المحفز POM من دون الحاجة إلى إعادة معالجته .

وذكر الباحثون فيما نشروه عن دراستهم أن للنظام الجديد القدرة على إنتاج 72 .0 مللي وات في الثانية لكل سنتيمتر مربع، أي يفوق ما يقرب من 100 مرة خلايا الوقود الميكروبية من السيليلوز . 

ويعتقد دينغ أنه يمكن زيادة ناتج النظام من الكهرباء خمسة أضعاف عبر تحسين ظروف العملية . 

ويضيف "اعتقد أن هذا النوع من خلايا الوقود يمكنه مستقبلاً إنتاج طاقة تعادل ما تنتجه خلايا الوقود التي تعمل بالميثانول، ونحتاج إلى تطوير النظام إلى أن نتفهم بطريقة أفضل آليات العمليات الكيميائية وكيفية تطويرها" ، كما يحتاج الباحثون أيضاً إلى مقارنة تشغيل النظام بالطاقة الشمسية بأشكال إنتاجه من الطاقة المدخلة، مثل الفضلات الحرارية من العمليات الأخرى . وذهاباً إلى أبعد من استخدام الكتلة الحيوية مباشرة في إنتاج الكهرباء تتميز الخلايا الجديدة بمميزات عــدة ، منها قدرة التحمل ورخص التكاليف، إذا ما قورنت بأنواع أخرى من خلايا الوقود .

وتابع دينغ "يمكننا استخدام مواد مستدامة من دون إحداث تلوث كيميائي، فالطاقة الشمسية والكتلة الحيوية مصدران مهمان من مصادر الطاقة المستدامة المتوفرة حالياً، وسوف يستخدمهما نظامنا معاً لإنتاج الكهرباء ومن ثم سحب البسط من تحت الوقود الحفري".