כיצד פחיות סודה ממוחזרים ומי ים יכולים לחולל מהפכה בייצור אנרגיה נקייה

(אשראי: ID 23404954 © Konstik | Dreamstime.com)

קמברידג', מסה -משהו פשוט כמו פחיות סודה ישנות ומי ים יכול לעזור להניע את עתיד האנרגיה הנקייה שלנו. מדענים במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס פיתחו דרך חדשנית להפקת דלק מימן באמצעות אלומיניום ומי ים, שעלולה לשנות מערכות אנרגיה בת קיימא ליישומים ימיים ומעבר לכך.

רוב האנשים מכירים את האלומיניום כחומר בפחיות סודה ובעיטוף בנייר כסף, אבל המתכת הנפוצה הזו באמת טומנת בחובה אגרוף אנרגיה מרשים. כאשר מטופל כראוי, אלומיניום יכול להגיב עם מים לייצור, דלק נקי שפולט אדי מים רק בעת שריפה. למרות שהתגובה הבסיסית הזו ידועה כבר זמן מה, הפיכתה לפרקטית וחסכונית בקנה מידה נותרה מאתגרת.

צוות מחקר בראשות אלי קומברגי ב-MIT מצא שעל ידי ציפוי אלומיניום בתערובת מתכת נוזלית מיוחדת של גליום ואינדיום (הנקראת eGaIn), הם יכולים לעורר את התגובה שלו עםלייצר מימן ביעילות. בעוד שאלומיניום רוצה באופן טבעי להגיב עם מים כדי לייצר מימן, הוא עומד בפני אתגר מהותי: ברגע שאלומיניום יוצר קשר עם חמצן באוויר, פני השטח שלו יוצרים שכבת תחמוצת מגן המונעת תגובות נוספות. מחסום זה מסביר מדוע מימן אינו מבעבע כאשר מפילים פחית סודה במים.

מהנדסי MIT אלי קומברגי (משמאל) וניקו צקיריס (מימין) עובדים על כור מימן חדש, שנועד לייצר גז מימן על ידי ערבוב כדורי אלומיניום עם מי ים. (קרדיט: טוני פולסון)

פריצת הדרך הגיעה כאשר חוקרים גילו שמי יםלמעשה עוזר לאסוף ולשחזר למעלה מ-90% מציפוי הגאליום-אינדיום לאחר התגובה. זה אפשרי מכיוון שיוני המלח במי הים יוצרים מה שנקרא "שכבה כפולה חשמלית" סביב טיפות המתכת הנוזליות, מונעות מהן להתפרק ומאפשרות לאסוף אותן בחזרה - גורם מכריע שכן גליום ואינדיום יקרים ונדירים יחסית. מתכות.

בטוויסט לא צפוי, הצוות מצא את זההאיץ באופן דרמטי את התגובה כשהוספה לתערובת. התגלית המוזרה הזו במעבדה הובילה אותם לחקור את החומר הפעיל של הקפאין, אימידאזול, שהתגלה כמאיץ המפתח. "זה היה הניצחון הגדול שלנו", אומר קומברגי. "היה לנו כל מה שרצינו: שחזור גליום אינדיום, בתוספת התגובה המהירה והיעילה."

החוקרים בדקו את המערכת שלהם באמצעות מי ים אמיתיים שנאספו מחוף Revere ליד. "ממש הלכתי לרוור ביץ' עם חבר ותפסנו את הבקבוקים שלנו ומילאנו אותם, ואז פשוט סיננתי אצות וחול, הוספתי לזה אלומיניום, וזה עבד עם אותן תוצאות עקביות", אומר קומברגי.

בעת בדיקת פתרונות שונים, הם גילו שהוספת כמות קטנה של אימידאזול מאיצה באופן דרמטי את התגובה תוך שמירה על שיעורי התאוששות גבוהים שלשִׁכבָה. בשילוב עם חימום מוקדם של מי הים לסביבות 80 מעלות צלזיוס (176 מעלות צלזיוס), הם יכולים ליצור מימן תוך פחות מ-10 דקות - הרבה יותר מהר משיטות קודמות שעלולות להימשך שעות.

חוקר מדגים "הפעלת" אלומיניום על ידי טבילת גלולת אלומיניום בתערובת של גליום-אינדיום. (קרדיט: טוני פולסון)

כדי לוודא שהממצאים שלהם לא היו רק קוריוז במעבדה, הצוות הגדיל את התגובה לשימוש ב-50 גרם אלומיניום עם 5 ליטר מי ים, תוך שמירה על יעילות דומה. החוקרים מפתחים כעת כור קטן עבור כלי שיט ימיים וכלי רכב תת ימיים. המערכת תאחסן כדורי אלומיניום ממוחזרים יחד עם כמויות קטנות של גליום-אינדיום ואימידאזול, תוך שילוב של מרכיבים אלה עם מי הים הסובבים.לפי דרישה. הם חישבו שכור המכיל כ-40 פאונד של כדורי אלומיניום יכול להניע רחפן תת-מימי קטן למשך כ-30 יום.

טכנולוגיה זו נותנת מענה לאתגר מרכזי באימוץ דלק מימן - הצורך להעביר ולאחסן גז מימן נדיף. "זה מאוד מעניין עבור יישומים ימיים כמו סירות או כלי רכב תת-מימיים מכיוון שלא תצטרך לסחוב מי ים - זה זמין בקלות", מסביר קומברגי. "אנחנו גם לא צריכים לשאת מיכל מימן. במקום זאת, היינו מעבירים אלומיניום כ'דלק', ופשוט מוסיפים מים כדי לייצר את המימן שאנחנו צריכים".

סיכום נייר

מתודולוגיה מוסברת

החוקרים הכינו כדורי אלומיניום על ידי ציפוים בתערובת גליום-אינדיום ב-200 מעלות צלזיוס, מה שאפשר לו לחדור למבנה המתכת במשך 48 שעות באווירת ארגון כדי למנוע היווצרות תחמוצת. הם בדקו את התגובה הן בתנאי נפח קבוע והן בתנאי לחץ קבוע, תוך מדידת שיעורי ייצור מימן ותפוקות. ניסויים שונים חקרו ריכוזי מלח, טמפרטורות ותוספים כימיים שונים, תוך תשומת לב מיוחדת לשחזור ציפוי הגאליום-אינדיום לאחר מכן.

פירוט תוצאות

הצוות השיג תוצאות משמעותיות בתנאי בדיקה שונים. בבדיקת מים מתוקים, גלולה אחת מטופלת מראש של אלומיניום יצרה 400 מיליליטר מימן בחמש דקות בלבד. בבדיקת מי ים, הוספת 0.02M imidazole בלבד הפחיתה את זמני התגובה משעות עד מתחת ל-10 דקות תוך שמירה על מעל 90% התאוששות של ציפוי המתכת הנוזלי. חימום מוקדם של מי הים ל-80 מעלות צלזיוס שיפר עוד יותר את הביצועים מבלי להתפשר על התאוששות מתכת.

מגבלות לימוד

התהליך מראה יעילות מופחתת בטמפרטורות מעל 90 מעלות צלזיוס, שבהן שיעורי התאוששות המתכות יורדים באופן משמעותי. צפיפות האנרגיה הכוללת של המערכת נמוכה מאלומיניום טהור כאשר לוקחים בחשבון את נפח מי הים הדרוש. החוקרים מציינים כי נדרש מחקר נוסף על עמידות ארוכת טווח וקנה מידה לרמות תעשייתיות.

דיון וטייק אווי

מחקר זה מדגים שיטה מעשית להפקת מימן מאלומיניום באמצעות מי ים, עם שחזור יעיל של רכיבים יקרים. התהליך עובד עם מי ים אמיתיים וניתן להגדיל אותו תוך שמירה על ביצועים. הממצאים רלוונטיים במיוחד עבור יישומים ימיים שבהם מי ים זמינים.

יישומים עתידיים

חוקרים בוחנים יישומים פוטנציאליים מעבר לשימוש ימי. כפי שמציין קומברגי, "החלק הבא הוא להבין איך להשתמש בזה עבור משאיות, רכבות ואולי מטוסים. אולי, במקום שנצטרך לשאת גם מים, נוכל להפיק מים מהלחות הסביבה כדי לייצר מימן. זה בהמשך הדרך."

מימון וגילויים

המחקר מומן על ידי תוכנית MIT פורטוגל במסגרת פרויקט הדגל שלהם "ידע ונתונים מהעומק לחלל". המחבר הראשי אלי קומברגי הגיש פטנט על תהליך ייצור המימן, ומחבר שותף פיטר גודארט הוא מייסד/מנכ"ל Found Energy Co., אשר מסחור ייצור אנרגיה נקייה מתגובת אלומיניום-מים.

מידע על פרסום

פורסם בCell Reports Physical Science(כרך 5, 102121) ב-21 באוגוסט 2024. הכותרת של המאמר היא "התאוששות משופרת של מתכות הפעלה ליצירת מימן מואצת מאלומיניום ומי ים" מאת אלי קומברגי, אנוך אליס, פיטר גודרט ודאגלס פ. הארט ממכון מסצ'וסטס של טכנולוגיה.

StudyFinds יוצאת למצוא מחקר חדש שמדבר לקהל המוני - בלי כל הז'רגון המדעי. הסיפורים שאנו מפרסמים הם גרסאות מחקר מסוככות לעיכול שנועדו ליידע את הקורא וגם לעורר ויכוח אזרחי ומשכיל. מאמרי צוות StudyFinds נעזרים בבינה מלאכותית, אך תמיד נבדקים ונערכים ביסודיות על ידי איש צוות של Study Finds. קרא את מדיניות הבינה המלאכותית שלנו למידע נוסף.