تحليل الماء كهربائياً بواسطة الخلايا الكهروضوئية يحقق كفاءة تحويل شمس-إلى-هيدروجين بنسبة 31.3% في ظروف تشغيل خارجية

تحويل ضوء الشمس إلى وقود نظيف

يُشاد بالهيدروجين غالباً كوقود نظيف للمستقبل، لكن إنتاجه بشكل صديق للمناخ لا يزال يمثل تحدياً كبيراً. تصف هذه الدراسة جهازاً مدمجاً يستخدم ضوء الشمس المركز لتفكيك الماء إلى هيدروجين وأكسجين بكفاءة غير عادية، ويعمل في الهواء الطلق تحت ظروف العالم الحقيقي. للقراء المهتمين بكيفية تخزين طاقة الشمس للاستخدام ليلاً، أو نقلها عبر المواسم، أو تشغيل الصناعة الثقيلة دون وقود أحفوري، يقدم هذا العمل لمحة عن مسار عملي محتمل.

لماذا يهم إنتاج الهيدروجين من ضوء الشمس

الطاقة الشمسية وطاقة الرياح رخيصة ونظيفة، لكنهما لا تتوفران دائماً عندما نحتاجهما. يمكن للهيدروجين أن يعمل كالكمية المرنة للطاقة: يمكن تخزينه لفترات طويلة، ونقله لمسافات بعيدة، وإعادة تحويله لاحقاً إلى كهرباء أو حرارة أو استخدامه كمادة خام كيميائية. المشكلة أن معظم الهيدروجين اليوم يُنتج من الغاز الطبيعي، ما ينبعث منه كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون. تفكيك الماء باستخدام الكهرباء المتجددة يتفادى هذه الانبعاثات، لكن الأنظمة التقليدية تهدر جزءاً كبيراً من الطاقة الشمسية الواردة. يُعتبر دفع الكفاءة إلى ما فوق 15% خطوة أساسية لجعل الهيدروجين الشمسي ميسور التكلفة على نطاق واسع.

آلة مدمجة تحول ضوء الشمس إلى هيدروجين

بنَى الباحثون نموذجاً أولياً اسمه HyCon يربط بقوة تقنيتين ناضجتين: خلايا شمسية عالية الأداء ومحللات ماء بغشاء إلكتروليتي بوليمري (PEM). مجموعة من أربع عدسات فريزنل صغيرة تركز ضوء الشمس المباشر نحو 200 مرة على أربع خلايا شمسية متقدمة من نوع "أربع وصلات" مثبتة على صفيحة نحاسية. تجمع هذه الخلايا عدة طبقات ماصة للضوء بحيث تستطيع حصاد نطاق واسع من ألوان الشمس وتوليد جهد يزيد على 4 فولت. على الجانب الخلفي من نفس الصفيحة، تُوصل خليتا تحليل PEM مباشرة على التوالي إلى الخلايا الشمسية. عندما يصيب الضوء المركز الخلايا الشمسية، تدير الخلايا المحللات دون إلكترونيات طاقة وسيطة، فتفكك الماء منزوع الأيونات إلى تيارات منفصلة من غازي الهيدروجين والأكسجين.

كيف يضغط التصميم لتحقيق كفاءة عالية

للوصول إلى كفاءة تحويل عالية، يجب أن تعمل الخلايا الشمسية والمحللات عند نقطة تشغيل تكون فيها الطاقة الكهربائية الخارجة من الخلايا متطابقة تقريباً مع طلب تفاعل تفكيك الماء. اختار الفريق بعناية توصيل أربع خلايا شمسية على التوازي وخليتين للمحلل على التوالي بحيث تتقاطع منحنيات التيار–الجهد عند نقطة تقع أسفل نقطة القدرة القصوى للخلايا الشمسية بقليل. كما وصفوا كيف تؤثر عوامل العالم الحقيقي، مثل تغيّر شدة الشمس ودرجة حرارة الماء، على موقع نقطة التشغيل هذه خلال اليوم. الماء الأدفأ يخفض الجهد المطلوب للتحليل، لذا سخّن الباحثون ماء الدخول إلى حوالي 60 درجة مئوية وصمّموا الوحدة بحيث يمكن للحرارة المهدرة من الخلايا الشمسية في إصدارات مستقبلية أن تحافظ على دفء المحللات. تساعد هذه الاستراتيجية النظام على الحفاظ على كفاءة عالية حتى مع تغيّر الشمس والطقس.

أداء قياسي خارجي في الحقل

اختُبرت وحدة HyCon لمدة 13 يوماً صيفياً على متتبع شمسي ثنائي المحور في فريبورغ بألمانيا، حافظ على توجيه العدسات مباشرة نحو الشمس. في ضوء الشمس المباشر القوي، حوّلت الوحدة ما يصل إلى 31.3% من الطاقة الشمسية الواردة إلى طاقة كيميائية مخزنة في الهيدروجين، كما قيس بقيمة الاحتراق الأعلى للغاز. عند هذه الذروة، عملت مصفوفة الخلايا الشمسية بكفاءة نحو 35% وعملت مجموعة التحليل بكفاءة تزيد قليلاً عن 91%. وعلى مدار يوم مشمس كامل، وصلت الوحدة إلى متوسط كفاءة يقارب 29% وأنتجت أكثر من 60 غراماً من الهيدروجين لكل متر مربع من مساحة العدسات، دون إظهار تدهور قابل للقياس في الأداء. بالمقارنة مع أنظمة التحليل بالطاقة الشمسية الأخرى، قدم الجمع بين خلايا شمسية مركزة متعددة الوصلات ومحللات PEM الموصولة مباشرة أعلى كفاءة مُبلّغ عنها في ظروف خارجية حقيقية.

ما الذي يعنيه هذا لمستقبل الطاقة الخضراء

تشير الدراسة إلى أن الربط المباشر بين خلايا شمسية مركزة متعددة الطبقات ومحللات PEM المدمجة يمكن أن يشكل لبنات بناء عالية الكفاءة لإنتاج الهيدروجين الشمسي، خاصة في المناطق المشمسة والجافة الغنية بالضوء المباشر. وبما أن نهج HyCon يتجنب إلكترونيات طاقة إضافية، ويستفيد من كل من الضوء والحرارة، ويمكن توسيعه بتكرار الوحدة، فقد يساعد ذلك في خفض تكلفة الهيدروجين الأخضر إلى مستويات تنافس الهيدروجين المستخرج من الوقود الأحفوري. وبينما لا تزال هناك حاجة إلى تحسينات إضافية في إدارة الحرارة وتصميم الخلايا الشمسية والنشر على نطاق واسع، يظهر هذا العمل أن تحويل ضوء الشمس إلى وقود نظيف قابل للتخزين بكفاءة عالية ليس مجرد فضول مختبري بل خيار واقعي في ظروف خارجية حقيقية.

الاستشهاد: Martínez, J.F., Ohlmann, J., Smolinka, T. et al. Photovoltaic water electrolysis reaching 31.3% solar-to-H₂ conversion efficiency under outdoor operating conditions. Commun Eng 5, 78 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00610-x

الكلمات المفتاحية: الهيدروجين الشمسي, تحليل الماء كهربائياً, الخلايا الكهروضوئية المركزة, تخزين الطاقة المتجددة, الهيدروجين الأخضر