الهيدروجين من أهم مصادر الطاقة النظيفة والمتجددة ، لا يتطلب الأمر سوى تحليل الماء بإستخدام الكهرباء لنحصل ذرات الهيدروجين سريعة الإشتعال . المشكلة الوحيدة هي قابلية الهيدروجين للإشتعال بسرعة كبيرة عند مزجه بالهواء ، لذلك كانت هناك حاجة ملحة لأجهزة استشعار فعالة و سريعة للغاية لتجعله طاقة أكثر أماناً.
الهيدروجين غاز غير مرئي وعديم الرائحة كما أنه متقلب وقابل للاشتعال للغاية. لا يتطلب الأمر سوى أربعة في المائة من الهيدروجين في الهواء لإنتاج غاز أوكسي هيدروجين والذي يشعل عند أصغر شرارة.
يتم إنتاج غاز الهيدروجين عن طريق الماء الذي يتم تقسيمه بمساعدة الكهرباء من طاقة الرياح أو الطاقة الشمسية. هناك حاجة إلى أجهزة الاستشعار على حد سواء عند إنتاج الهيدروجين وعند استخدامه ، على سبيل المثال في السيارات التي تعمل بخلايا الوقود. لتجنب تكوين غاز قابل للاشتعال والانفجار عندما يخلط الهيدروجين بالهواء ، يجب أن تكون مجسات الهيدروجين قادرة على اكتشاف التسربات بسرعة كبيرة.
لكي تكون سيارات الهيدروجين والبنية التحتية المرتبطة بها في المستقبل آمنة بما فيه الكفاية ، يجب أن يكون من الممكن بالتالي اكتشاف كميات صغيرة للغاية من الهيدروجين في الهواء. يجب أن تكون المستشعرات سريعة بما فيه الكفاية بحيث يمكن اكتشاف التسريبات بسرعة قبل حدوث الحريق.
ابتكار جديد
ولحل هذه المشكلة قدم باحثون من جامعة تشالمرز للتكنولوجيا ، السويد ، أول مجسات للهيدروجين على الإطلاق و التي يمكنها أن تحقق أهداف الأداء المستقبلية للاستخدام في المركبات التي تعمل بالهيدروجين.
الإبتكار الجديد هو مستشعر ضوئي نانوي مغلف بمادة بلاستيكية. يعمل المستشعر استنادًا إلى ظاهرة بصرية تسمى – بلازمون – حيث تضيء الجسيمات النانوية المعدنية حين تلتقط الضوء المرئي. يتغير لون المستشعر ببساطة عندما تتغير كمية الهيدروجين في البيئة.
البلاستيك الموجود حول المستشعر الصغير ليس فقط للحماية ، ولكن يعمل كمكون رئيسي. إنه يزيد من زمن استجابة المستشعر عن طريق تسريع امتصاص جزيئات غاز الهيدروجين في الجزيئات المعدنية حيث يمكن اكتشافها.
في الوقت نفسه ، يعمل البلاستيك كحاجز فعال للبيئة ، ويمنع أي جزيئات أخرى من دخول وإلغاء تنشيط المستشعر. وبالتالي ، يمكن أن يعمل المستشعر بكفاءة عالية وبدون أي إزعاج ، مما يمكّنه من تلبية المتطلبات الصارمة لصناعة السيارات – ليكون قادرًا على اكتشاف ما نسبته 0.1 في المائة من الهيدروجين في الهواء في أقل من ثانية.
لا يعد هذا المستشعر الأسرع بين مستشعرات الهيدروجين فحسب بل إنه أيضاً مستقر للغاية بمرور الوقت و لا يتم إلغاء تنشيطه بعكس المستشعرات الحالية للهيدروجين فالمستشعر محمي بطبقة بلاستيكية .
معايير صارمة
المبتكران فيري نوغروه ومشرفه كريستوف لانجهامر أدركا أنهما يمكنهما العمل على شيء كبير. بعد قرءا مقالاً علمياً يفيد بأنه لم ينجح أحد في تحقيق متطلبات زمن الاستجابة الصارمة المفروضة على أجهزة استشعار الهيدروجين لسيارات الهيدروجين المستقبلية .
قام الباحثان باختبار أجهزة الاستشعار الخاصة بهم و أدركوا أنهم على بعد ثانية واحدة فقط من الهدف – حتى دون محاولة تحسينه. البلاستيك الذي تم تصميمه في الأصل كحاجز حماية للمستشعر أدى دوراً إضافياً عن طريق جعل المستشعر أسرع .
‘من الرائع أن تقدم مستشعر يمكن أن يكون جزءًا من طفرة كبرى للمركبات التي تعمل بالهيدروجين. يقول كريستوف لانجهامر ، أستاذ في قسم تشالمرز للفيزياء: الاهتمام الذي نراه في صناعة خلايا الوقود ملهم ، على الرغم من أن الهدف في المقام الأول هو استخدام الهيدروجين كحامل للطاقة ، فإن المستشعر يقدم أيضًا إمكانيات أخرى. هناك حاجة لمستشعرات الهيدروجين عالية الكفاءة في صناعة شبكات الكهرباء ، وصناعة الطاقة الكيميائية والنووية ، ويمكن أن تساعد أيضًا في تحسين التشخيص الطبي.
‘يمكن أن توفر كمية غاز الهيدروجين الموجود في أنفاسنا أيضاً إجابات ، على سبيل المثال ، الالتهابات وعدم تحمل الطعام . نأمل أن نتائجنا يمكن استخدامها على جبهة واسعة. هذا أكثر بكثير من مجرد منشور علمي.
كريستوف لانجهامر: أستاذ في قسم تشالمرز للفيزياء
على المدى الطويل ، الأمل في أن يتم تصنيع المستشعر في سلسلة بطريقة فعالة ، على سبيل المثال باستخدام تقنية طابعة ثلاثية الأبعاد.
حقائق: أسرع مستشعر للهيدروجين في العالم
- يستند المستشعر الذي طوره تشالمرز إلى ظاهرة بصرية – بلازمون – تحدث عندما تضيء الجسيمات النانوية المعدنية وتلتقط الضوء بطول موجي معين.
- يحتوي المستشعر النانوي البصري على ملايين الجسيمات النانوية المعدنية من سبيكة من الذهب والبلاديوم ، وهي مادة معروفة بقدرتها الشبيهة بالإسفنج على امتصاص كميات كبيرة من الهيدروجين. ثم يتسبب تأثير البلازمون في تغيير لون المستشعر عندما تتغير كمية الهيدروجين في البيئة.
- البلاستيك المحيط بالمستشعر ليس مجرد حماية ، ولكنه أيضًا يزيد من وقت استجابة المستشعر عن طريق تسهيل جزيئات الهيدروجين لاختراق الجزيئات المعدنية بسرعة أكبر وبالتالي يتم اكتشافها بسرعة أكبر. في الوقت نفسه ، يعمل البلاستيك كحاجز فعال للبيئة لأنه لا توجد جزيئات أخرى غير الهيدروجين يمكنها الوصول إلى الجسيمات النانوية ، مما يمنع التعطيل.
- تعني كفاءة المستشعر أنه قادر على تلبية أهداف الأداء الصارمة التي حددتها صناعة السيارات للتطبيق في مركبات الهيدروجين في المستقبل من خلال قدرتها على اكتشاف 0.1 في المائة من الهيدروجين في الهواء في أقل من ثانية واحدة.
- تم تمويل البحث من قبل المؤسسة السويدية للبحوث الاستراتيجية ، في إطار مشروع Plasmonics البلاستيك.