تحسين مُحلّل كهربائي بخلية رطبة لإنتاج فعال لغاز الأكسيدالهيدروجيني (HHO): خطوة نحو حلول طاقة خضراء مستدامة

تحويل الماء إلى وقود أنظف

بينما يبحث العالم عن طرق لخفض التلوث دون التخلي عن راحة المحركات، تبرز فكرة واحدة مثيرة للاهتمام: إنتاج وقود نظيف عند الطلب مباشرة من الماء. تستكشف هذه الدراسة جهازًا مدمجًا يفعل ذلك بالضبط: يفصل الماء إلى مزيج قابل للاحتراق من غازي الهيدروجين والأكسجين باستخدام الكهرباء. سعى الباحثون إلى إعادة تصميم هذا النوع من المولدات بحيث يهدر طاقة أقل بكثير على شكل حرارة، ويُنتج غازًا قابلاً للاستخدام أكثر من كل وحدة كهرباء. تشير نتائجهم إلى مسار عملي نحو معززات وقود أكثر خضرة للمركبات وأنظمة الطاقة صغيرة النطاق.

لماذا يهم تفكيك الماء

الماء مكوّن من الهيدروجين والأكسجين، ويشتعل الهيدروجين بشكل نظيف ليكوّن الماء مرة أخرى بدلاً من انبعاثات متسخة. لكن الهيدروجين نادرًا ما يوجد منفردًا في الطبيعة، لذا يجب استخراجه باستخدام طاقة. إحدى الطرق هي التحليل الكهربائي: تمرير تيار كهربائي عبر الماء ليَتفكك إلى غازات. عندما تُحفظ الغازات معًا بنسبة اثنين إلى واحد المثالية، يُسمى الخليط أكسيدالهيدروجين أو HHO. إنه عديم اللون وقابل للاشتعال، ويمكن تغذيته إلى المحركات لتحسين الاحتراق. لكن المشكلة هي الكفاءة. إذا تحولت غالبية الطاقة الكهربائية إلى حرارة غير مرغوبة بدلًا من غاز، يصبح العملية مكلفة ومهدِرة. تتعامل هذه الدراسة مع تلك المشكلة عبر تشكيل وترتيب صفائح المعدن التي تحدث عليها التفاعلات وضبط السائل الناقل للتيار بعناية.

بناء أربع نسخ من نفس الفكرة

بنَى الفريق أربعة أجهزة مفككة للماء شبه متماثلة، سُمّيت ألفا وبيتا وجاما ودلتا. كلها استخدمت صفائح من الفولاذ المقاوم للصدأ مكدسة داخل خزان مملوء بماء يحتوي على كمية صغيرة من هيدروكسيد البوتاسيوم، وهو ملح يساعد على مرور الكهرباء عبر السائل. وُصِلت الصفائح بحيث عملت بعضُها كأقطاب موجبة وسالبة، فيما جلست أخرى بينها كأسطح "محايدة" لا تزال تساهم في التفاعل. غيّر الباحثون ثلاثة عوامل: حجم كل صفيحة، وعدد الأقطاب الموجبة والسالبة المستخدمة، وما إذا كان السائل يحوي تركيزًا أقل أم أعلى من الملح المذاب. ثم شغّلوا كل جهاز من بطارية بجهد 12 فولت وقاسوا إنتاج الغاز، واستهلاك الطاقة، ودرجات الحرارة، والكفاءة العامة على مدار الزمن.

ما الذي ميز أفضل تصميم

تفوق تصميم واحد بوضوح، وهو دلتا. استخدم صفائح أكبر (بطول ضلع مضاعف عن النسخ الأصغر)، وعددًا أكبر من الألواح المشحونة، وحجمًا سخيًا من محلول الإلكتروليت. مثل هذا المزيج وزع التيار الكهربائي على سطح أوسع، مما خفف الحواجز المجهرية التي عادة ما تبطئ التفاعل وقلل البقع الساخنة. كما عمل الخزان الأكبر من السائل كعازل حراري، فامتص الحرارة ومنع ارتفاع درجة الحرارة بشكل مفاجئ. نتيجة لذلك، أنتج دلتا نحو 3.4 لترات من غاز HHO في الدقيقة بينما وصل إلى كفاءة إجمالية قريبة من 60%، ما يعني أن جزءًا كبيرًا من الطاقة الكهربائية الواردة خرج في روابط الهيدروجين الكيميائية بدلًا من أن يضيع على شكل حرارة. التصاميم الأصغر، وخصوصًا بيتا، كانت تعمل بدرجات حرارة أعلى وتضيع الكثير من الطاقة الداخلة في تسخين السائل بدلًا من إنتاج الغاز.

موازنة الطاقة والحرارة وإنتاج الغاز

كانت قوة محلول الملح حلقة مهمة أخرى. مضاعفة تركيز هيدروكسيد البوتاسيوم سهّلت حركة الشحنات الكهربائية عبر الماء، فاستحقت كل تصميم تيارًا أعلى وأنتج مزيدًا من الغاز. لكن كان هناك مقايضة: التيار الزائد يعني أيضًا تسخينًا أكبر. لم تستطع إلا التصاميم ذات الصفائح الأكبر، جاما وخاصة دلتا، تحويل هذا التيار الأعلى إلى كفاءة إجمالية محسّنة بدلًا من حرارة مفرطة. حققوا ذلك من خلال الجمع بين مقاومة كهربائية منخفضة، وسطح فعال كافٍ لتكوّن الفقاعات وانفصالها، وحجم سائل كافٍ لصرف الحرارة. في تلك الحالات، مع ارتفاع التيار، انخفضت فعليًا كمية الطاقة المطلوبة لكل متر مكعب من الغاز، وهو مؤشر على أن الجهاز يعمل في نقطة مثالية حيث يعزز التصميم وظروف التشغيل بعضها البعض.

من جهاز مختبري إلى مساعد في العالم الواقعي

قارن الباحثون أفضل تصميم لديهم مع مولدات HHO سابقة ومع أنظمة هيدروجين تجارية. طابق إعداد دلتا أو تفوّق على العديد من الأجهزة المبلغ عنها سابقًا بينما ظل بسيطًا وغير مكلف نسبيًا، مع قطع تكلفتها تزيد قليلًا عن مئتي دولار. على خلاف مصانع الهيدروجين الصناعية، يُنتج خليط هيدروجين‑أكسجين جاهزًا للاحتراق عند ضغط منخفض، ما يجعله مناسبًا للاستخدام المباشر كمحسن احتراق في المحركات أو كوسيلة لتخزين فائض الطاقة الشمسية محليًا. تُظهر الدراسة أن الانتباه الدقيق لحجم الصفائح وترتيبها وكيمياء السائل يمكن أن يحول خلية تفكيك ماء أساسية إلى أداة أكثر كفاءة بوضوح. للقراء غير المتخصصين، الخلاصة أن الهندسة الذكية والتحكم الحراري الجيد يمكن أن يجعلا من مادة يومية—الماء—شريكًا عمليًا وأنظف لأنظمة الطاقة المستقبلية.

الاستشهاد: Fayez, N.H.A., Qenawy, M., Mustafa, H.M.M. et al. Optimization of a wet-cell electrolyzer for efficient oxyhydrogen (HHO) gas production: a step towards sustainable green energy solutions. Sci Rep 16, 12374 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45418-z

الكلمات المفتاحية: الأكسيدالهيدروجيني, مُحلّل كهربائي بخلية رطبة, الهيدروجين الأخضر, تحليل الماء كهربائياً, محسن وقود للمحركات