Microstructure-resolved phase-field modelling reveals pore-scale controls and hydrogel design principles for hydrogen hydrate storage

غالبًا ما يُوصف الهيدروجين بأنه وقود المستقبل، وهو حامل للطاقة النظيفة يمكنه تزويد عالمنا بالطاقة دون انبعاثات كربونية. ومع ذلك، لا يزال تخزينه يمثل لغزًا هندسيًا مستعصيًا. نظرًا لخفة وزن الهيدروجين، فإنه يشغل مساحة هائلة ما لم يتم ضغطه في حجم صغير للغاية. وتتضمن الطرق التقليدية ضغطه في خزانات فولاذية ثقيلة تحت ضغوط هائلة، أو تجميده إلى سائل في درجات حرارة أبرد من الفضاء الخارجي، وكلاهما يتطلب طاقة كبيرة وتكاليف باهظة. بحث العلماء لفترة طويلة عن حل وسط: طريقة لحبس جزيئات الهيدروجين داخل هيكل صلب يكون مستقرًا وآمنًا وسهل التعامل معه. وأحد المرشحين الواعدين هو مادة تسمى "الهيدرات". تخيل قفصًا مصنوعًا من جزيئات الماء، مرتبطة معًا بروابط هيدروجينية، مع وجود جزيء هيدروجين يجلس بأمان داخل كل قفص. في الظروف العادية، تنهار هذه الأقفاص، ولكن إذا أضفت مساعدًا كيميائيًا محددًا وطبقت ضغطًا معتدلًا، تصبح الأقفاص مستقرة. وهذا يخلق مادة صلبة تحتفظ بكمية مذهلة من الهيدروجين.

ولجعل هذه العملية تحدث بشكل أسرع وأكثر كفاءة، لجأ الباحثون إلى مادة تبدو وكأنها مكون مطبخ أكثر من كونها وقودًا صناعيًا: "الهيدروجيل". الهيدروجيل هو شبكة تشبه الإسفنج من البوليمرات التي تحتفظ بكمية هائلة من الماء. ومن خلال نقع هذا الإسفنج في محلول يحتوي على المساعد الكيميائي، يمكن للعلماء إنشاء بيئة تتشكل فيها هيدرات الهيدروجين بسهولة أكبر مما هي عليه في الماء العادي. والفكرة هي أن مسام الإسفنج الدقيقة توفر مساحة سطح هائلة لحدوث التفاعل. ومع ذلك، بينما نعلم أن الهيدروجيل يعمل، فإننا لا نفهم تمامًا كيف يتحرك الهيدروجين عبر المتاهة المجهرية للإسفنج للوصول إلى البلورات النامية. وبدون هذه المعرفة، يصبح تصميم إسفنجات أفضل مسألة تعتمد على التجربة والخطأ.

في دراسة حديثة، استخدم فريق من الباحثين من أستراليا وسنغافورة والصين وتايلاند عمليات محاكاة حاسوبية متقدمة للنظر داخل العالم المجهري لهيدروجيل أثناء تشكل هيدرات الهيدروجين. لم يكتفوا بالنظر إلى النتيجة النهائية فحسب؛ بل بنوا نموذجًا رقميًا مفصلًا للهيكل الإسفنجي الفعلي، والذي تم إعادة بنائه من صور مجهرية حقيقية، وراقبوا كيف تتكشف العملية بمرور الوقت. وتكشف أعمالهم أن سرعة تشكل الهيدرات لا يحدها الحرارة أو الشرارة الأولية لتشكل البلورات، بل بمدى سهولة انتقال الهيدروجين عبر المسام المملوءة بالماء للوصول إلى البلورات النامية. ومع نمو البلورات، فإنها تسد المسارات، مما يجعل وصول الهيدروجين الجديد أكثر صعوبة. هذا الاكتشاف يوفر مجموعة واضحة من القواعد التي يمكن للمهندسين اتباعها عند تصميم الجيل القادم من مواد تخزين الهيدروجين.

بدأ الباحثون بإنشاء "توأم رقمي" واقعي للهيدروجيل. وباستخدام صور عالية الدقة مأخوذة بمجهر بؤري (confocal microscope)، رسموا الخريطة الدقيقة لشكل المسام والخيوط الصلبة للإسفنج. ثم قاموا بتسكين هذا الفضاء الرقمي بنموذج حاسوبي يمكنه محاكاة ثلاثة أشياء تحدث في وقت واحد: نمو بلورات الهيدرات، وحركة غاز الهيدروجين المذاب عبر الماء، وتدفق الحرارة. وقد تحققوا من صحة هذا النموذج من خلال مقارنة تنبؤاته بالتجارب الواقعية حيث قاموا بقياس كمية الهيدروجين المستهلك بمرور الوقت في عينة هيدروجيل فيزيائية. طابق النموذج الحاسوبي البيانات التجريبية بشكل مثالي تقريبًا، مما أكد أنه يلتقط الفيزياء المعقدة بدقة.

بمجرد إثبات موثوقية النموذج، استخدمه الفريق لمراقبة العملية وهي تتكشف بالحركة البطيئة. لاحظ الباحثون أن تشكل الهيدرات يبدأ في نقاط عشوائية حيث تظهر بذور بلورية صغيرة. في البداية، تنمو هذه البلورات بسرعة، وتنتشر نحو الخارج مثل موجة. ومع ذلك، مع توسع البلورات، تبدأ في سد قنوات الماء التي تحمل وقود الهيدروجين إليها. أظهرت عمليات المحاكاة أن تركيز الهيدروجين ينخفض بشكل حاد بالقرب من البلورات النامية، لأن مادة الهيدرات الجديدة تعمل كحاجز، مما يبطئ انتشار الغاز. وهذا يخلق عنق زجاجة: البلورات تريد النمو، لكنها تتضور جوعًا للوقود. وجد الباحثون أن الحرارة لم تكن المشكلة الرئيسية؛ إذ كان ارتفاع درجة الحرارة ضئيلاً جدًا لدرجة أنه لم يكن له أي تأثير تقريبًا على العملية. بدلاً من ذلك، كان النظام بأكمله محكومًا بالصراع للحفاظ على تدفق الهيدروجين عبر المسام المسدودة.

لفهم كيفية إصلاح عنق الزجاجة هذا، أجرى الفريق سلسلة من التجارب المنضبطة داخل نموذجهم الحاسوبي، مع تغيير ميزة واحدة في الإسفنج في كل مرة. أولاً، نظروا في عدد بذور البلورات الأولية. ووجدوا أن وجود المزيد من البذور يساعد الهيدرات على التشكل بشكل أسرع في البداية، لكنه لم يؤدِ إلى زيادة كبيرة في إجمالي الهيدروجين المخزن في النهاية. فقد نفد الوقود من البذور الإضافية بنفس السرعة التي نفد بها من البذور الأقل عددًا. وهذا يشير إلى أن مجرد إضافة المزيد من نقاط البداية ليس هو المفتاح لتحسين التخزين.

بعد ذلك، اختبروا هيكل الإسفنج نفسه. فقاموا بإنشاء إسفنجات افتراضية بمستويات مختلفة من الاتصال، مما يعني عدد المسارات المختلفة المتاحة للهيدروجين للانتقال من جزء إلى آخر في الإسفنج. واكتشفوا أن الإسفنجات ذات الشبكة عالية الاتصال، حيث توجد مسارات بديلة عديدة لتدفق الغاز، كانت تؤدي أداءً أفضل بكثير. في هذه الهياكل جيدة الاتصال، إذا تم سد مسار واحد بواسطة بلورة نامية، يمكن للهيدروجين أن يجد طريقًا آخر بسهولة حولها. سمحت هذه الوفرة (redundancy) للهيدرات بالاستمرار في النمو حتى مع بدء انسداد المسام.

كما فحص الباحثون مدى قرب بذور البلورات الأولية من السطح الذي يدخل منه الهيدروجين إلى الإسفنج. ووجدوا أن المسافة تهم بشكل هائل. فعندما تكون البذور بعيدة عن نقاط دخول الغاز، يتعين على الهيدروجين قطع مسافة طويلة عبر الماء، وبحلول الوقت الذي يصل فيه، غالبًا ما يكون الإمداد قد استُنفد. ولكن عندما يتم وضع البذور بالقرب من نقاط دخول الغاز، يمكن للهيدروجين الوصول إليها بسرعة واستمرار، مما يؤدي إلى تحويل أكبر بكثير للماء إلى هيدرات. وأخيرًا، نظروا في مساحة السطح المتاحة لدخول الغاز. فالإسفنجات ذات مساحة السطح الأكبر المعرضة للغاز تسمح بدخول المزيد من الهيدروجين إلى النظام، وهو ما أدى أيضًا إلى تحسين الأداء، بشرط أن تكون المسارات الداخلية قصيرة ومتصلة.

تقدم هذه النتيات مخططًا واضحًا لتصميم هيدروجيلات أفضل. تشير الدراسة إلى أن مواد التخزين الأكثر فعالية ليست بالضرورة تلك التي تمتلك أكبر عدد من البلورات الأولية، بل تلك التي تمتلك شبكة مسام مترابطة للغاية تحافظ على تدفق الهيدروجين. التصميم المثالي سيكون عبارة عن إسفنجة تكون فيها مسارات دخول الغاز قصيرة ومباشرة، وحيث توجد العديد من المسارات البديلة لتدفق الغاز، مما يضمن عدم انقطاع أي جزء من الإسفنج عن إمدادات الوقود الخاصة به. باتباع هذه المبادئ، يمكن للمهندسين تجاوز مرحلة التخمين والبدء في بناء مواد مُحسّنة وفقًا للفيزياء المحددة لنمو الهيدرات.

يمثل هذا العمل خطوة مهمة للأمام في السعي وراء تخزين عملي للهيدروجين. فمن خلال الانتقال من القياسات العامة إلى فهم مجهري لكل مسام على حدة، حدد الباحثون الحواجز الفيزيائية المحددة التي تحد من الأداء. لقد أثبتوا أن المفتاح لإطلاق قدرات تخزين أعلى يكمن في بنية المادة نفسها. وبينما أُجريت الدراسة باستخدام عمليات محاكاة حاسوبية، فإن الرؤى مستمدة من بيانات تجريبية حقيقية وقوانين فيزيائية. والنتيجة هي مجموعة من قواعد التصميم التي يمكن أن توجه عملية إنشاء هيدروجيلات قادرة على تخزين الهيدروجين بكفاءة أكبر، مما يقربنا من مستقبل يمكن فيه تخزين الطاقة النظيفة بأمان وفعالية.