سلولهای سوختی هیدروژنی سالهاست که بهعنوان یکی از ستونهای آینده انرژی پاک مورد توجه قرار گرفتهاند. فناوریای که میتواند بدون تولید آلاینده، برق تولید کند و از هیدروژن که فراوانترین عنصر جهان است، بهعنوان سوخت بهره ببرد. اگرچه اصول کار این دستگاهها ساده به نظر میرسد، گسترش صنعتی آنها با مانعی جدی روبهرو بوده است: دمای بسیار بالا.
سلولهای سوختی اکسید جامد (SOFC) معمولاً در ۷۰۰ تا ۸۰۰ درجه سانتیگراد کار میکنند؛ دمایی که نهتنها هزینه ساخت را بالا میبرد، بلکه کاربردهای کوچکمقیاس و مصرفکنندهمحور را تقریباً غیرممکن میسازد.
اما پژوهشی تازه از دانشگاه کیوشو نقطه عطفی در این مسیر ایجاد کرده است. تیمی از دانشمندان موفق شدهاند مادهای بسازند که حرکت پروتونها یعنی کلید اصلی عملکرد سلول سوختی را در دمای تنها ۳۰۰ درجه با سرعتی بیسابقه ممکن میکند. این جهش علمی میتواند افقهای جدیدی بهسوی سلولهای سوختی ارزان، کوچک، قابلحمل و حتی مصرفی باز کند.
این دستاورد نتیجه سالها کار در حوزههای علومپایه و بهویژه فیزیک حالت جامد، شیمی مواد و مدلسازی مولکولی است؛ همان حوزههایی که زیربنای بسیاری از نوآوریهای بزرگ انرژی و فناوری را بنیان میگذارند.
بحران دما: چرا SOFCها به ۷۰۰ درجه نیاز دارند؟
سلولهای سوختی برخلاف باتریها انرژی ذخیره نمیکنند؛ بلکه با واکنش بین سوخت (معمولاً هیدروژن) و اکسیژن، برق تولید میکنند. در SOFCها، الکترولیت مسئول انتقال پروتونها یا یونهاست. اما این لایه تنها زمانی کارایی بالا دارد که تا صدها درجه داغ شود. علت این پدیده در ساختار شبکه بلوری الکترولیت نهفته است: فاصله بین اتمها در دماهای پایین برای حرکت سریع پروتونها کافی نیست، بنابراین رسانایی بهشدت افت میکند.
این محدودیت دمایی باعث میشود:
- سیستمها سنگین و گران شوند،
- راهاندازی آنها وقتگیر باشد،
- و استفاده از آنها در خودروها، ابزارهای مصرفی و حتی خانهها غیرعملی جلوه کند.
دانشمندان سالها تلاش کردند با افزودن دوپانتها (عناصر شیمیایی که خواص ماده را تغییر میدهند)، رسانایی پروتونی را بالا ببرند. اما مشکل اینجاست: هرچه دوپانت بیشتر، شبکه بلوری شلوغتر و حرکت پروتونها سختتر میشود. این تناقض یک مانع ۳۰ ساله در راه سلولهای سوختی دمای پایین بود.
تحقیقات در این زمینه همسو با اهداف باشگاه علومپایه و فناوری یونسکو است، که با ترویج علم و فناوری به دنبال یافتن راهحلهای پایدار برای چالشهای جهانی انرژی هستند.
پیدایش «بزرگراه پروتونی» در شبکههای بلوری
تیم کیوشو رویکردی متفاوت در پیش گرفت. آنها دو ماده شناختهشده، BaSnO₃ و BaTiO₃، را با مقدار زیادی عنصر اسکاندیم (Sc) ترکیب کردند. برخلاف انتظارات، افزودن مقدار زیاد اسکاندیم نهتنها شبکه بلوری را مسدود نکرد، بلکه یک ساختار کاملاً جدید ایجاد کرد. وقتی اسکاندیم وارد شبکه میشود، با اتمهای اکسیژن اطرافش، آرایشهایی به نام ScO₆ شکل میدهد. این آرایشها در کنار هم مسیرهای پیوسته و بازی میسازند که پژوهشگران آنها را «highway ScO₆» یا «بزرگراه پروتونی» نامیدهاند. پروتونها در این مسیرها با مانع انرژی بسیار کم و سرعت بالا حرکت میکنند، بدون آنکه در میان گرههای شبکه گیر بیفتند.
شبیهسازیهای مولکولی نشان داد که این مواد ذاتاً «نرمتر» از الکترولیتهای معمولاند، یعنی پیوندهای شبکه بهگونهای ارتعاش میکنند که حرکت پروتونها آسانتر میشود. این پیشرفت نشان میدهد که تحقیقات در حوزه علومپایه چگونه میتوانند مسیر حل چالشهای عملی در فناوری انرژی را هموار کنند. به این ترتیب، یکی از بزرگترین پارادوکسهای علم مواد که همان افزایش دوپانت بدون کاهش رسانایی بود، برای اولین بار حل شد.
کارکرد در ۳۰۰ درجه: شکستن یک رکورد تاریخی
نتیجه این نوآوری خیرهکننده بود: رسانایی پروتونی بیش از ۰٫۰۱ S/cm در دمای ۳۰۰°C—سطحی که مواد موجود تنها در دمای ۶۰۰ تا ۷۰۰ درجه به آن میرسیدند. این یعنی سلولهای سوختی آینده میتوانند با هزینه کمتر، حجم کمتر و دوام بیشتر ساخته شوند.
مزایای چنین دمایی بسیار زیاد است:
- دیگر نیازی به فولادهای فوقمقاوم و گرانقیمت نیست.
- روشن و خاموش شدن سلولها سریعتر و کممصرفتر میشود.
- سامانهها کوچکتر و سبکتر میشوند.
- و مهمتر از همه: سلولهای سوختی میتوانند وارد بازار مصرف شوند.
این همان نقطهای است که پژوهش بنیادی از مرحله «کشف آزمایشگاهی» به مرحله «تحول صنعتی» میرسد.
افقهای تازه: کاربردهایی فراتر از سوخت پاک
پژوهشگران میگویند این انقلاب مواد تنها برای سلولهای سوختی نیست. حرکت آسان پروتونها در دمای پایین میتواند فناوریهای زیر را متحول کند:
- الکترولایزرهای هیدروژن کممصرف
- پمپهای هیدروژنی
- راکتورهای تبدیل CO₂ به محصولات ارزشمند
- سامانههای نوین انتقال و ذخیره انرژی
در واقع، این یافته نهتنها مسئله دما را حل کرد، بلکه راهی جدید برای مهندسی اتمی مواد باز کرد؛ باشگاه علومپایه و فناوری یونسکو نیز با ترویج پژوهشهای بنیادی و حمایت از نسل جوان دانشمندان، نقشی کلیدی در توسعه این بینش علمی و پیشبرد فناوریهای نوین انرژی ایفا میکند و میتواند زمینهساز عصر تازهای در انرژی پاک باشد.
نقش علومپایه: از فهم پروتون تا ساخت دستگاههای صنعتی
پشت این دستاورد، سالها پژوهش در علومپایه نهفته است:
فیزیک شبکههای بلوری، شیمی اکسیدها، طیفسنجی پیشرفته و مدلسازی دینامیک مولکولی.
این حوزهها که گاه دور از تصور صنعتی بهنظر میرسند، در چنین دستاوردهایی نقشی تعیینکننده دارند. پیشرفتهای بزرگ فناوری همیشه بر دوش علومپایه بنا میشوند؛ یعنی جایی که رفتار اتمها و الکترونها نهتنها توصیف، بلکه طراحی و مهندسی میشود.
دستاوردی برای آینده انرژی
تصور کنید نسل جدیدی از دستگاههای انرژی هیدروژنی که:
- سبک و قابلحملاند،
- در دماهای معمولی کار میکنند،
- و بدون انتشار آلاینده برق تولید میکنند.
پژوهش دانشگاه کیوشو نشان میدهد این آینده کاملاً در دسترس است. باشگاه علومپایه و فناوری یونسکو با حمایت از پژوهشهای بنیادی و ترویج نوآوری در سطح جهانی، بستری فراهم میکند تا دستاوردهایی مانند این، مسیر خود را به فناوریهای عملی و پایدار پیدا کنند.
با مهندسی مسیرهای تازه برای حرکت پروتونها، سلولهای سوختی میتوانند به یکی از مهمترین فناوریهای انرژی پاک در دهههای آینده تبدیل شوند؛ فناوریای که شاید روزی همان نقشی را بازی کند که نیمههادیها امروز در الکترونیک ایفا میکنند.
منبع: Science Daily