جهش کوانتومی محققان میشیگان در استخراج هیدروژن از قلب خورشید

هیدروژن به عنوان یک حامل انرژی فوق‌العاده، در هنگام سوختن تنها بخار آب تولید می‌کند، اما پارادوکس بزرگ اینجاست که امروزه بیش از ۹۰ درصد هیدروژن جهان از طریق سوزاندن گازهای فسیلی تولید می‌شود که خود عامل تولید آلاینده‌های کربنی است. برای حل این تناقض، مهندسان به دنبال روش «تجزیه فوتوکاتالیستی آب» هستند؛ فرآیندی که در آن نور خورشید مستقیماً مولکول‌های آب را به هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌کند. چالش اصلی در این مسیر، یافتن ماده‌ای بود که بتواند با بازدهی بالا، این واکنش شیمیایی را مدیریت کند.

 

تیم پژوهشی به رهبری Yuyang Pan و Bingxing Zhang، ساختارهای فوق‌نازکی به نام «ابرشبکه‌های کوانتومی اکسیتونی» طراحی کرده‌اند. این مواد از لایه‌های نانومتری نیترید گالیوم (GaN) و نیترید گالیوم ایندیوم (InGaN) تشکیل شده‌اند. نوآوری اصلی این تیم در مدیریت «اکسیتون‌ها» است؛ یعنی جفت‌های پیوندی از الکترون‌ها و حفره‌ها که در اثر تابش نور ایجاد می‌شوند.

 

در مواد معمولی، این بارها به سرعت با هم ترکیب شده و از بین می‌روند، اما محققان میشیگان با استفاده از پدیده فیزیکی موسوم به «اثر اشتارک محدودشده کوانتومی» (Quantum-Confined Stark Effect)، توانستند طول عمر این ذرات را افزایش دهند. این زمان اضافه به بارها اجازه می‌دهد تا قبل از نابودی، واکنش شیمیایی تجزیه آب را با موفقیت به سرانجام برسانند.

 

نتایج آزمایش‌های این تیم فراتر از انتظارات اولیه بود. این مواد کوانتومی توانستند در شرایط آزمایشگاهی و تحت نور متمرکز خورشید به راندمان ۳.۱۶ درصد و در محیط واقعی فضای باز به بازدهی ۱.۶۴ درصد دست یابند. اگرچه این اعداد در نگاه اول کوچک به نظر می‌رسند، اما در دنیای فوتوکاتالیست‌های خورشیدی، یک پیشرفت قابل‌توجه و اثبات‌کننده‌ی کارایی مواد کوانتومی محسوب می‌شوند.

 

تکامل این فناوری می‌تواند آینده حمل‌ونقل جاده‌ای، ریلی و دریایی را دگرگون کند. برخلاف باتری‌های الکتریکی که برای جابه‌جایی بارهای سنگین بسیار سنگین و حجیم هستند، سوخت هیدروژنی تولید شده به این روش می‌تواند توان لازم برای کامیون‌ها، قطارها و کشتی‌های غول‌پیکر را فراهم کند. علاوه بر این، این سیستم‌ها قابلیت تولید برق غیرمتمرکز و تأمین حرارت مورد نیاز در صنایع سنگین (مانند فولاد و سیمان) را دارند که برقی‌سازی آن‌ها به روش‌های سنتی بسیار دشوار است.

 

نتیجه‌گیری

اگرچه تا رسیدن به راندمان‌های تجاری و تولید انبوه هنوز فاصله داریم، اما تحقیقات Pan و Zhang ثابت کرد که ابرشبکه‌های کوانتومی، کلید مفقوده‌ی معمای انرژی خورشیدی-هیدروژنی هستند. این پژوهش نه تنها یک دستاورد فنی، بلکه الهام‌بخش نسل جدیدی از مواد نانوست که می‌توانند زمین را به مکانی پاک‌تر برای زندگی تبدیل کنند.