طريقة جديدة لإنتاج الأمونيا، من خلال تسخير القوة الفريدة للمعدن السائل، قد تؤدي إلى خفض كبير في انبعاثات الكربون الناجمة عن إنتاج المادة الكيميائية المستخدمة على نطاق واسع.
يتم استخدام الأمونيا في الأسمدة لزراعة الكثير من طعامنا، ولكنها تلعب أيضًا دورًا في الطاقة النظيفة باعتبارها ناقلًا لنقل الهيدروجين بأمان.
الإنتاج العالمي من الأمونيا يأتي بتكلفة بيئية عالية، فهو يستهلك أكثر من 2% من الطاقة العالمية وينتج ما يصل إلى 2% من انبعاثات الكربون العالمية.
وقالت الدكتورة كارما زريقي، زميلة الأبحاث في المعهد الملكي للتكنولوجيا في ملبورن والمؤلفة الرئيسية لدراسة بهذا الشأن، إن البديل الأخضر الذي اقترحه فريقها يستخدم حرارة أقل بنسبة 20% وضغطًا أقل بنسبة 98% من عملية هابر بوش التي يعود تاريخها إلى قرن من الزمان والتي تُستخدم اليوم لتقسيم النيتروجين والهيدروجين إلى الأمونيا.
تم نشر النتائج والدراسة في مجلة Nature Catalysis .
أقل استهلاكًا للطاقة
وقالت زريقي من كلية الهندسة في معهد RMIT،”إن إنتاج الأمونيا في جميع أنحاء العالم مسؤول حاليًا عن ضعف الانبعاثات التي تنتجها أستراليا، وإذا تمكنا من تحسين هذه العملية وجعلها أقل استهلاكًا للطاقة، فيمكننا إحداث تأثير كبير في انبعاثات الكربون.
تظهر نتائج الدراسة، أن النهج منخفض الطاقة فعال في إنتاج الأمونيا مثل المعيار الذهبي الحالي من خلال الاعتماد بشكل أكبر على المعدن السائل الفعال الفعالة وأقل على قوة الضغط.
وقالت زريقي “إن النحاس والغاليوم اللذين نستخدمهما أرخص بكثير وأكثر وفرة من معدن الروثينيوم الثمين المستخدم كمحفز في الأساليب الحالية، وكل هذه المزايا تجعل من هذا التطور الجديد والمثير للاهتمام تطوراً جديداً نحرص على المضي قدماً فيه واختباره خارج المختبر”.
المعدن السائل للإنقاذ
ويعد الفريق الذي يضم البروفيسور توربن داينيك من معهد RMIT رائدًا في تسخير الخصائص الخاصة لمحفزات المعادن السائلة لإنتاج الأمونيا، واحتجاز الكربون، وإنتاج الطاقة.
المحفز هو مادة تجعل التفاعلات الكيميائية تحدث بشكل أسرع وأسهل دون استهلاكها.
وقد عرضت الدراسة الأخيرة تقنيتهم الجديدة من خلال إنشاء قطرات معدنية سائلة صغيرة تحتوي على النحاس والغاليوم – والتي أطلق عليها اسم “الكواكب النانوية” بسبب قشرتها الصلبة وبنيتها السائلة الخارجية وبنيتها الصلبة الداخلية – كمحفز لتفكيك المكونات الخام من النيتروجين والهيدروجين.
“تسمح لنا المعادن السائلة بتحريك العناصر الكيميائية بطريقة أكثر ديناميكية، مما يجعل كل شيء على الواجهة ويسمح بتفاعلات أكثر كفاءة، وهو أمر مثالي للتحفيز”، كما قال داينيك، “لقد تم استبعاد النحاس والغاليوم بشكل منفصل باعتبارهما من المحفزات السيئة الشهيرة لإنتاج الأمونيا، ومع ذلك فإنهما معًا يقومان بالمهمة بشكل جيد للغاية”.
وكشفت الاختبارات أن الغاليوم يعمل على تفكيك النيتروجين، في حين ساعد وجود النحاس على تفكيك الهيدروجين، الأمر الذي أدى إلى العمل بنفس فعالية الطرق الحالية وبجزء بسيط من التكلفة.
وقال داينيك “لقد وجدنا طريقة أساسية للاستفادة من التآزر بين المعدنين، ورفع نشاطهما الفردي”.
تتولى جامعة RMIT حاليًا قيادة تسويق التكنولوجيا، والتي تمتلكها بشكل مشترك جامعة RMIT وجامعة QUT.
الارتقاء بالصناعة
في حين أن الأمونيا المنتجة عبر عملية هابر بوش التقليدية لا يمكن إنتاجها إلا في منشآت ضخمة، فإن النهج البديل الذي اقترحه الفريق قد يناسب الإنتاج الكبير الحجم والإنتاج اللامركزي الأصغر حجماً، حيث يتم تصنيع كميات صغيرة بثمن بخس في مزارع الطاقة الشمسية، وهو ما من شأنه بدوره أن يخفض تكاليف النقل والانبعاثات.
وبالإضافة إلى التطبيقات الواضحة في إنتاج الأمونيا للأسمدة، يمكن أن تكون هذه التكنولوجيا بمثابة عامل تمكين رئيسي لصناعة الهيدروجين ودعم التحرك بعيدًا عن الوقود الأحفوري.
وأوضح داينيكي أن “إحدى الطرق الجيدة لجعل الهيدروجين أكثر أمانًا وسهولة في النقل هي تحويله إلى أمونيا، ولكن إذا استخدمنا الأمونيا المنتجة من خلال التقنيات الحالية كحامل للهيدروجين، فإن الانبعاثات من صناعة الهيدروجين يمكن أن تزيد بشكل كبير من الانبعاثات العالمية، وتتمثل رؤيتنا في الجمع بين تكنولوجيا إنتاج الأمونيا الخضراء لدينا والهيدروجين”، مما يسمح بشحن الطاقة الخضراء بأمان في جميع أنحاء العالم دون خسائر فادحة في الطريق”.
وتتمثل التحديات القادمة في رفع مستوى التكنولوجيا ــ التي أثبتت جدواها حتى الآن في ظروف المختبر ــ وتصميم النظام للعمل عند ضغوط أقل، مما يجعله أكثر عملية كأداة لامركزية لمجموعة أوسع من الصناعات.
وقال “في هذه المرحلة، نحن متحمسون للغاية للنتائج ونتطلع إلى التحدث مع الشركاء المحتملين المهتمين بتوسيع نطاق هذا المشروع لصناعاتهم”.