تساعد أجهزة الكمبيوتر الباحثين في العثور على مواد لتحويل الطاقة الشمسية إلى هيدروجين

تحويل الطاقة الشمسية إلى هيدروجين

يمكن أن يساعد استخدام الطاقة الشمسية لاستعادة الهيدروجين من الماء بتكلفة أقل في استبدال مصادر الوقود المعتمدة على الكربون وتقليل البصمة الكربونية العالمية. ومع ذلك ، فإن العثور على مواد يمكن أن تعزز إنتاج الهيدروجين بحيث يمكنها التنافس اقتصاديًا مع الوقود القائم على الكربون كان حتى الآن تحديًا لا يمكن التغلب عليه.

في دراسة ، أفاد فريق من الباحثين بقيادة ولاية بنسلفانيا أنهم اتخذوا خطوة إلى الأمام للتغلب على التحدي المتمثل في إنتاج الهيدروجين الرخيص باستخدام أجهزة الكمبيوتر العملاقة للعثور على المواد التي يمكن أن تساعد في تسريع فصل الهيدروجين.الهيدروجين عندما يتعرض الماء الضوء ، وهي عملية تسمى التحفيز الضوئي.

يمكن استخدام الكهرباء والطاقة الشمسية لفصل الهيدروجين عن الماء ، والذي يتكون من ذرتين من الهيدروجين وذرة أكسجين واحدة ، وفقًا لإسماعيلا دابو ، أستاذة العلوم والتكنولوجيا وهندسة المواد. منتسب إلى معهد علوم الحوسبة والبيانات (ICDS) وعضو هيئة تدريس بتمويل مشترك في معاهد الطاقة والبيئة.

استخدام ضوء الشمس لتوليد الكهرباء لتوليد الهيدروجين – أو التحليل الكهربائي – والذي بدوره من المحتمل أن يتم تحويله مرة أخرى إلى كهرباء قد لا يكون مفيدًا تقنيًا أو فعالًا اقتصاديًا. على الرغم من أن الاستخدام المباشر للطاقة الشمسية لإنتاج الهيدروجين من الماء – أو التحفيز الضوئي – يتجنب هذه الخطوة الإضافية ، إلا أن الباحثين لم يتمكنوا بعد من استخدام التحويل الشمسي المباشر للهيدروجين من الماء. الوقود ، مثل البنزين.

استخدم الباحثون ، الذين أبلغوا عن النتائج التي توصلوا إليها في مجلة Energy and Environmental Science ، نوعًا من النهج الحسابي يسمى فحص المواد عالية الإنتاجية لتضييق قائمة تضم أكثر من 70000 مركب مختلف إلى ستة مرشحين واعدين لهذه المحفزات الضوئية ، والتي عند إضافتها إلى الماء يمكن أن تمكن عملية إنتاج الهيدروجين الشمسي ، قال دابو.

قاموا بمراجعة المركبات المدرجة في قاعدة بيانات مشروع المواد ، وهو مستودع مفتوح الوصول عبر الإنترنت للمواد المعروفة والمتوقعة. طور الفريق خوارزمية لتحديد المواد ذات الخصائص التي تجعلها محفزات ضوئية مناسبة لعملية إنتاج الهيدروجين.

على سبيل المثال ، درس الباحثون نطاق الطاقة المثالي – أو فجوة الحزمة – للمواد لامتصاص ضوء الشمس. العمل عن كثب مع هيكتور أبرونا ، أستاذ الكيمياء في جامعة كورنيل ؛ فينكاترامان جوبالان ، أستاذ علوم وهندسة المواد في ولاية بنسلفانيا ؛ وريموند شاك ، أستاذ الكيمياء في ولاية بنسلفانيا ؛ لقد نظروا أيضًا إلى المواد القادرة على فصل الماء بشكل فعال ، وكذلك المواد ذات الثبات الكيميائي الجيد.

قال Yihuang Xiong ، مساعد أبحاث الخريجين والمؤلف الأول المشارك للورقة البحثية: “نعتقد أن سير العمل الحسابي التجريبي المتكامل الذي طورناه يمكن أن يسرع بشكل كبير اكتشاف المحفزات الضوئية الفعالة”. نأمل من خلال القيام بذلك أن نتمكن من خفض تكلفة إنتاج الهيدروجين.

وأضاف دابو أن الفريق ركز على الأكاسيد – وهي مركبات كيميائية تتكون من ذرة أكسجين واحدة على الأقل – لأنه يمكن تصنيعها في فترة زمنية معقولة باستخدام العمليات القياسية. تطلب العمل تعاونًا متعدد التخصصات ، والذي كان بمثابة تجربة تعليمية لفريق البحث.

قالت نيكول كيرشنر هول ، طالبة الدكتوراه والمؤلفة المشاركة للمقال: “لقد وجدت أنه من الممتع للغاية أن أعمل في مثل هذا المشروع التعاوني”. “بصفتي طالب دراسات عليا في علوم المواد الحاسوبية ، كنت قادرًا على التنبؤ بمواد التحفيز الضوئي المحتملة باستخدام الحسابات والعمل مع متعاونين تجريبيين هنا في ولاية بنسلفانيا ومؤسسات أخرى للمشاركة في التحقق من صحة تنبؤات الكمبيوتر لدينا.”

قال دابو إن باحثين آخرين أجروا بالفعل تحليلًا اقتصاديًا على عدة خيارات لاستخدام الطاقة الشمسية لتوليد الكهرباء ، وقرروا أن الطاقة الشمسية يمكن أن تخفض سعر إنتاج الهيدروجين للتنافس مع البنزين.

قال دابو: “استنتاجهم الرئيسي هو أنه إذا تمكنت من تطوير هذه التكنولوجيا ، يمكنك إنتاج الهيدروجين بتكلفة تتراوح بين 1.60 دولار و 3.20 دولار للغالون الواحد من البنزين”. “قارن ذلك بالبنزين ، الذي يكلف حوالي 3 دولارات للغالون ، إذا نجح ، يمكنك أن تدفع أقل من 1.60 دولار مقابل نفس كمية الطاقة مثل جالون البنزين في السيناريو. مثالي.”

وأضاف أنه إذا كان المحفز يمكن أن يساعد في تعزيز إنتاج الهيدروجين الشمسي ، فقد يؤدي إلى سعر تنافسي للهيدروجين مقارنة بالبنزين.

اعتمد الفريق على الحاسوب العملاق ICDS Roar الخاص بولاية بنسلفانيا لإجراء الحسابات. تعد أجهزة الكمبيوتر ، وفقًا لـ Dabo ، أداة مهمة في تسريع عملية العثور على المواد المناسبة لاستخدامها في عمليات محددة. يمكن أن تمثل هذه الطريقة القائمة على الحساب ، والتي تعتمد على البيانات بشكل مكثف ، ثورة في الكفاءة مقارنة بنهج التجربة والخطأ كثيف العمالة.

قال دابو: “عندما أراد توماس إديسون العثور على مواد للمصباح ، نظر إلى أي مادة تقريبًا تحت الشمس حتى وجد المادة المناسبة للمصباح”. “هنا نحاول أن نفعل الشيء نفسه ، ولكن بطريقة تستخدم أجهزة الكمبيوتر لتسريع هذه العملية.”

وأضاف أن أجهزة الكمبيوتر لن تحل محل التجريب.

قال دابو: “يمكن لأجهزة الكمبيوتر تقديم توصيات بشأن المواد التي ستكون أكثر واعدة ، وبعد ذلك لا يزال يتعين عليك إجراء الدراسة التجريبية”.

قال دابو إنه يتوقع قوة أجهزة الكمبيوتر لتبسيط عملية العثور على أفضل المرشحين وتقليل الوقت الذي يستغرقه تصميم المواد في المختبر بشكل كبير لتقديمها إلى السوق لتلبية الاحتياجات.

قام الباحثون بتقييم خوارزميات التعلم الآلي لتقديم اقتراحات للمواد الكيميائية التي يمكن تصنيعها واستخدامها كمحفزات في إنتاج الهيدروجين الشمسي. بناءً على هذا التحقيق الأولي ، يقترحون أن العمل المستقبلي قد يركز على تطوير نماذج التعلم الآلي لتحسين عملية الفرز الكيميائي.

أضاف دابو أيضًا أنه يمكنهم النظر في المركبات الكيميائية إلى جانب الأكاسيد لتحديد ما إذا كان يمكن أن تكون بمثابة محفزات لإنتاج الهيدروجين الشمسي.

قال دابو: “لقد قمنا حتى الآن بتدوير هذه العملية على أكاسيد – معادن صدئة أساسًا – ولكن هناك الكثير من المركبات التي يمكن تصنيعها والتي لا تعتمد على الأكسجين”. “على سبيل المثال ، هناك مركبات تعتمد على النيتروجين أو الكبريت يمكننا استكشافها.”