التمثيل الضوئي للنبات يلهم باحثين لتصنيع بطارية ورقية

التمثيل الضوئي للنبات استلهم باحثون من جامعة توهوكو اليابانية لإنتاج بطارية جديدة تَستخدم المغنيسيوم لتوليد الطاقة من الأكسجين والماء.

والتمثيل الضوئي للنبات هو العملية الطبيعية التي تُحول بها النباتات ضوء الشمس والماء وثاني أكسيد الكربون إلى طاقة كيميائية على شكل جلوكوز (سكر) وأكسجين، وتستخدم النباتات الكلوروفيل والأصباغ الأخرى لامتصاص ضوء الشمس، مما يؤدي إلى تحويل الماء وثاني أكسيد الكربون إلى جلوكوز وأكسجين.

وتحاكي البطارية الجديدة -التي طورها الباحثون ونُشرت تفاصيلها في دورية “آر إس سي أبلايد إنترفاسيس”- هذه العملية لتحويل الطاقة، وعوضاً عن ضوء الشمس تستخدم المغنيسيوم كركيزة لتوليد الطاقة من الأكسجين والماء، وعندما تعمل البطارية يخضع المغنيسيوم لتفاعلات كيميائية مع الأكسجين والماء، مما يؤدي إلى إطلاق الطاقة بطريقة مشابهة لكيفية تحويل النبات ضوء الشمس إلى طاقة كيميائية أثناء عملية التمثيل الضوئي.

كيف تُصنع البطارية الجديدة؟

تبدأ العملية باختيار الركيزة الورقية المناسبة، ويجب أن يكون الورق المستخدم خفيف الوزن ورفيعاً وقادراً على حمل مكونات البطارية، ويُقطع الورق بالحجم والشكل المطلوب للبطارية.

من بعدها تُربط طبقة رقيقة من رقائق المغنيسيوم على جانب واحد من ركيزة الورق، وتعمل رقائق المغنيسيوم هذه بمثابة “الأنود” للبطارية، وتحدث التفاعلات الكهروكيميائية أثناء تشغيل البطارية

وعلى الجانب الآخر من الركيزة الورقية، يُطبَّق محفز الكاثود، ويُسهل محفز الكاثود تقليل الأكسجين أثناء عملية تفريغ البطارية، ويساعد على تحسين كفاءة البطارية وأدائها.

من تُضاف طبقة انتشار الغاز أعلى محفز الكاثود، وتساعد هذه الطبقة على ضمان الانتشار الفعال للأكسجين إلى الكاثود أثناء تشغيل البطارية، وتعزز الأداء السليم لتفاعل تقليل الأكسجين.

وحققت البطارية في الاختبارات التي أجراها الباحثون قِيما إيجابية في الجهد والكثافة، وكذلك في إنتاج الطاقة والاستقرار التشغيلي، وكانت على النحو التالي:

جهد دائرة مفتوحة قدره 1.8 فولت وكثافة تيار تبلغ 1.0 فولت عند 100 ملّي أمبير/سم²، وتشير هذه القيم إلى الإمكانات الكهربائية ومعدل تدفق التيار داخل البطارية على التوالي.

وفقاً للاختبارات، كان الحد الأقصى لطاقة خرج البطارية يبلغ 103 ملي واط/سم²، ويعكس هذا المقياس المعدل الذي يمكن للبطارية من خلاله توصيل الطاقة الكهربائية لكل وحدة مساحة، وتشير الطاقة الناتجة إلى كفاءة أكبر في تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية.

كما حققت البطارية قدرة على الحفاظ على أداء ثابت مع مرور الوقت، وفي ظل ظروف مختلفة تعكس كفاءتها، ويشير خرج الطاقة المستقر والموثوق إلى نظام بطارية مصمم جيدا وفعال.