توصل باحثون في جامعة قرطبة الإسبانية إلى طريقة جديدة للاستفادة من فيتامين B12 في تطوير بطاريات قابلة لإعادة الشحن، قد تسهم مستقبلا في تخزين الكهرباء المنتجة من مصادر الطاقة المتجددة.
ونجح النموذج التجريبي للبطارية، الذي يعتمد على الزنك والهواء ويستخدم فيتامين B12 لتحفيز التفاعلات الكيميائية، في إكمال ما يصل إلى 250 دورة شحن وتفريغ خلال الاختبارات، ما يفتح المجال أمام تطوير تقنيات أكثر استدامة لتخزين الطاقة.
بطارية تعتمد على الزنك والأكسجين
بطاريات قابلة لإعادة الشحن ( مصدر الصور: جامعة قرطبة )
طور الباحثون بطارية من نوع الزنك والهواء، وهي تقنية تولد الكهرباء من خلال تفاعلات كيميائية تشمل الزنك والأكسجين الموجود في الهواء المحيط.
وعلى عكس البطاريات التقليدية التي تخزن جميع المواد اللازمة للتفاعلات داخلها، تحصل بطاريات الزنك والهواء على الأكسجين من البيئة المحيطة. وهذا يجعلها أخف وزنا، ويمنحها كثافة طاقة مرتفعة، أي القدرة على تخزين كمية كبيرة من الطاقة مقارنة بوزنها.
وتستخدم هذه البطاريات بالفعل في أجهزة صغيرة، مثل المعينات السمعية.
كما يتميز الزنك بأنه متوافر وقابل لإعادة التدوير، في حين تعتمد هذه البطاريات على إلكتروليتات مائية غير قابلة للاشتعال، ما قد يجعلها أكثر أمانا من بطاريات الليثيوم أيون التقليدية، التي ترتبط عمليات استخراج موادها الخام بتحديات اقتصادية واجتماعية وبيئية.
فيتامين B12 يؤدي دور المحفز الكيميائي
تتمثل إحدى الصعوبات الرئيسية في جعل بطاريات الزنك والهواء قابلة لإعادة الشحن في الحاجة إلى محفز يساعد على إتمام التفاعلات الكيميائية في الاتجاهين: إنتاج الكهرباء، ثم عكس العملية لإعادة شحن البطارية.
ووجد الباحثون أن فيتامين B12، المعروف أيضا باسم الكوبالامين، يمكن أن يؤدي هذا الدور، بفضل احتوائه في بنيته الجزيئية على الكوبالت ثلاثي التكافؤ، وهو شكل من أشكال عنصر الكوبالت يساعد على تحفيز هذه التفاعلات.
وعلى الرغم من شهرة الفيتامين بدوره في الحفاظ على صحة الإنسان، فإنه ينتج طبيعيا بواسطة أنواع معينة من البكتيريا، كما يصنع تجاريا لاستخدامه في المنتجات الغذائية والصناعات الدوائية.
وقال الباحث أنطونيو خيسوس فرنانديز روميرو إن فيتامين B12 أثبت امتلاكه الخصائص اللازمة للعمل محفزا فعالا، إذ يساعد أثناء تفريغ البطارية على اختزال الأكسجين وتحويله إلى ماء، بينما يعزز أثناء إعادة الشحن إنتاج الأكسجين.
الأنابيب النانوية الكربونية تثبت الفيتامين داخل البطارية
واجه الباحثون مشكلة تتعلق بكيفية الاحتفاظ بفيتامين B12 داخل البطارية، لأنه يذوب بسهولة في الماء، ولذلك لا يمكن إضافته مباشرة إلى بطارية تستخدم إلكتروليتا مائيا.
ولحل هذه المشكلة، ربط العلماء الفيتامين بأنابيب كربونية نانوية أحادية الجدار، وهي تراكيب كربونية فائقة الدقة تساعد على تثبيته في مكانه، مع السماح له بالمشاركة في التفاعلات الكيميائية.
واستلهم الباحثون هذه الطريقة من العملية التي ترتبط بها الأحماض الأمينية بعضها ببعض لتكوين البروتينات.
وطور النموذج التجريبي فريق مجموعة الكيمياء الفيزيائية (FQM-204) في معهد الكيمياء للطاقة والبيئة (IQUEMA) بجامعة قرطبة.
وأوضح الباحث مانويل كانو لونا أن الفريق استند إلى دراسة الخصائص الموجودة في المواد الطبيعية، بهدف توظيفها في تطوير أنواع جديدة من البطاريات.
250 دورة شحن وتفريغ في الاختبارات
يمثل هذا النموذج التجريبي ثالث بطارية يطورها الفريق باستخدام جزيء بيولوجي بوصفه محفزا للتفاعلات الكيميائية.
ففي تجارب سابقة، استخدم الباحثون الهيموغلوبين الذي يحتوي على الحديد ثنائي التكافؤ، وإنزيم الكاتالاز الذي يحتوي على الحديد ثلاثي التكافؤ.
لكن التطور الأبرز في النموذج الجديد هو إمكانية إعادة شحن البطارية، إذ تمكنت من إكمال ما يصل إلى 250 دورة شحن وتفريغ خلال الاختبارات التي أجراها الباحثون.
هل يمكن استخدامها لتخزين الطاقة المتجددة؟
على الرغم من أن البطارية لا تزال في مرحلة النموذج التجريبي، فإن نتائج الدراسة تشير إلى إمكانية الاستفادة من الجزيئات الطبيعية في تطوير أنظمة تخزين طاقة أقل تكلفة وأكثر استدامة.
ويرى الباحثون أن مواصلة تطوير بطاريات الزنك والهواء القابلة لإعادة الشحن قد تتيح استخدامها مستقبلا لتخزين فائض الكهرباء الناتجة عن مصادر الطاقة المتجددة، مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح.
ويمثل تخزين هذا الفائض أحد التحديات المهمة أمام التحول إلى مصادر الطاقة النظيفة، بسبب عدم ثبات إنتاجها على مدار اليوم.
ومع ذلك، لا تزال التقنية بحاجة إلى مزيد من التطوير والاختبارات قبل تحديد مدى إمكانية استخدامها على نطاق تجاري واسع.