In Situ Investigation of Water Splitting Mechanisms in Non-Thermal Plasma

إن السعي لتحويل النفايات إلى طاقة نظيفة هو أحد أكثر التحديات إلحاحاً في العلوم البيئية الحديثة. فالعديد من تدفقات النفايات، من بقايا الطعام إلى النواتج الصناعية، تكون رطبة وتحتوي على كميات كبيرة من الماء. وتتطلب الطرق التقليدية غالباً تجفيف هذه المواد أولاً، وهي عملية تستهلك كميات هائلة من الطاقة وتقوض هدف الكفاءة. وهناك بديل واعد يتضمن استخدام حالة من حالات المادة تُعرف بالبلازما غير الحرارية. وخلافاً للبلازما الموجودة في الشمس أو في البرق، والتي تكون شديدة الحرارة، فإن هذه البلازما "الباردة" هي غاز تم تنشيطه كهربائياً ليحتوي على جزيئات عالية التفاعل، مثل الأيونات والجذور الحرة، بينما يظل الغاز نفسه بارداً بما يكفي للمس. وتسمح هذه البيئة الفريدة للعلماء بكسر الروابط الكيميائية وإحداث تفاعلات قد تتطلب حرارة شديدة في ظروف أخرى، مما يوفر مساراً محتملاً لتحويل النفايات الرطبة مباشرة إلى هيدروجين، وهو وقود نظيف. ومع ذلك، فإن المسارات الكيميائية داخل هذا الغاز النشط وغير المرئي معقدة وغير مفهومة جيداً، مما يجعل من الصعب تحسين العملية للاستخدام في العالم الحقيقي.

لقد اتخذ باحثون من جامعة بن غوريون في النقب ومركز النقب للأبحاث النووية خطوة كبيرة نحو توضيح هذه الآليات الخفية من خلال دراسة أبسط نسخة ممكنة من هذه المشكلة: تقسيم الماء النقي إلى هيدروجين وأكسجين باستخدام البلازما الباردة. وبدلاً من التخمين حول كيفية عمل التفاعل، قام الفريق ببناء مفاعل زجاجي متخصص حيث يمكنهم حقن رذاذ دقيق من الماء في تدفق من غاز الأرجون وإشعاله بمجال كهربائي. ثم راقبوا التفاعل وهو يحدث في الوقت الفعلي، باستخدام أداتين قويتين تعملان جنباً إلى جنب. إحدى الأداتين، وهي كاميرا عالية الدقة حساسة للضوء، التقطت التوهج الخافت المنبعث من الجزيئات والذرات داخل البلازما. أما الأداة الأخرى، وهي مطياف الكتلة، فقد عملت كميزان كيميائي، حيث قامت بوزن وتحديد كل نوع من أنواع جزيئات الغاز المتدفقة من المفاعل. ومن خلال الجمع بين هذه الملاحظات المباشرة ومحاكاة الكمبيوتر لهذا "الرقص الكيميائي"، رسم الفريق خريطة توضح بالضبط كيف يتم تفكيك جزيئات الماء وإعادة تجميعها تحت ظروف مختلفة.

وقد كشفت الدراسة أن وصفة النجاح دقيقة للغاية. فقد وجد الباحثون أن كمية الماء المحقونة في تدفق الغاز كانت ذات أهمية قصوى؛ فإذا تمت إضافة كمية قليلة جداً من الماء، فلن يكون هناك وقود كافٍ لإنتاج الهيدروجين. أما إذا تمت إضافة كمية كبيرة جداً، فستبدأ جزيئات الماء في ازدحام البلازما، مما يؤدي إلى سرقة الطاقة من الإلكترونات التي تقود التفاعل، ويجعل العملية أقل كفاءة. وكانت "النقطة المثالية" هي معدل حقن ضئيل جداً قدره 0.01 ملليلتر في الدقيقة، مما سمح للبلازما بأن تظل نشطة بما يكفي لتفكيك الماء بفعالية. وتحت هذه الظروف المثلى، حقق الفريق معدل تحويل للماء بنسبة 56.8 بالمئة عند ضبط القدرة على 150 واط، مما يعني أن أكثر من نصف الماء الذي تم إدخاله قد تم تقسيمه بنجاح. وعندما خفضوا القدرة إلى 100 واط، ظل معدل التحويل مرتفعاً تقريباً عند 54.4 بالمئة، لكن كفاءة الطاقة تحسنت بشكل كبير، حيث أنتجت المزيد من الهيدروجين لكل وحدة من الكهرباء المستخدمة.

ولعل الاكتشاف الأكثر كشفاً هو كيفية توزيع الطاقة داخل البلازما بين الجسيمات المختلفة. ففي الغاز الساخن العادي، تتشارك جميع الجسيمات نفس درجة الحرارة. أما في هذه البلازما الباردة، فتتشارك الطاقة بشكل غير متساوٍ، مما يخلق حالة غريبة من عدم التوازن، حيث توجد أنواع مختلفة من الجزيئات في درجات حرارة متفاوتة للغاية في آن واحد. فقد ظل غاز الهيدروجين الناتج بارداً، مستقراً بالقرب من درجة حرونة الغرفة عند حوالي 300 كلفن. وفي المقابل الصارخ، كانت جزيئات النيتروجين المستخدمة كعنصر تتبع في الدراسة تهتز بكثافة تعادل درجة حرارة تبلغ حوالي 5,500 كلفن. وكان سلوك جذور الهيدروكسيل (hydroxyl radical)، وهي شظية عالية التفاعل من الماء، أكثر تعقيداً؛ إذ أظهر هذا الجزيء الواحد مجموعتين متميزتين: بعضها كان يدور ببطء، بما يتوافق مع درجة حرارة تبلغ حوالي 650 كلفن، بينما كان البعض الآخر يدور بسرعة هائلة، بما يعادل 7,500 كلفن. وهذا التعايش بين المكونات الساخنة والباردة داخل نفس المساحة يفسر كيف يمكن للبلازما كسر الروابط الكيميائية القوية دون تسخين الخليط الغازي بأكما له إلى درجة صهر المفاعل.

كما تتبع الفريق المسارات المحددة التي اتخذتها جزيئات الماء أثناء تفكيكها. ففي مستويات القدرة المنخفضة، كانت الطريقة الأساسية لتفكيك الماء هي الاصطدام المباشر بإلكترون عالي السرعة. ومع زيادة القدرة، تغيرت الآلية؛ حيث بدأت جزيئات الماء في فقدان إلكترون أولاً، لتصبح أيونات مشحونة، والتي تتفاعل بعد ذلك مع جزيئات الماء الأخرى لإطلاق الهيدروجين. هذا التحول في الاستراتيجية يعني أن الطريقة الأكثر كفاءة لإنتاج الهيدروجين لم تكن بالضرورة الإعداد الأكثر قوة، بل كانت توازناً حيث يمكن لكيمياء البلازما أن تتكيف مع مدخلات الطاقة المتغيرة. وأشار الباحثون إلى أنه بينما طابقت نماذج الكمبيوتر الخاصة بهم سلوك الهيدروجين وجذور الهيدروكسيل بشكل جيد، إلا أنها واجهت صعوبة في التنبؤ بدقة بسلوك ذرات الهيدروجين الفردية، مما يشير إلى أن بعض الخطوات الكيميائية الدقيقة في تكوين أو تدمير هذه الذرات لا تزال مفقودة من الفهم العلمي الحالي.

وفي الختام، يوفر هذا العمل خريطة واضحة قائمة على البيانات لكيفية تفاعل البلازما الباردة مع الماء، متجاوزاً مرحلة النظرية ليظهر بالضبط ما يحدث داخل المفاعل. وتؤكد النتائج أنه على الرغم من أن كفاءة الطاقة في هذه الطريقة ليست عالية بعد مثل التحليل الكهربائي التقليدي، إلا أنها تنافس الأنظمة الأخرى القائمة على البلازما وتوفر ميزة متميزة للتعامل مع المواد الرطبة دون الحاجة لتجفيفها مسبقاً. ومن خلال إثبات قدرتهم على مراقبة ونمذجة الوسائط التفاعلية في الوقت الفعلي، وضع الباحثون إطاراً يمكن تطبيقه الآن على الخلطات الأكثر تعقيداً. وهذا يفتح الباب لاستخدام نفس المبادئ لمعالجة تدفقات النفايات الفعلية، وتحويل تحدي الرطوبة من عائق إلى مكون مفيد في عملية إنتاج الطاقة.