ابتكر باحثون في جامعة أوساكا متروبوليتان نظامًا للتمثيل الضوئي الاصطناعي يمكنه توليد الوقود الشمسي بشكل أكثر موثوقية مع التخلص من معدات التحكم القائمة على البطارية التي ترافق عادةً هذه الرحلة. من خلال دمج مكون كيميائي ذاتي التنظيم مباشرةً في المحلل الكهربائي، تمكنوا من تقليل التعقيد والتكلفة - لأنه لا شيء يقول "حل أنيق" مثل إزالة الأجزاء التي تميل إلى الكسر أو نفاد الطاقة.
مثل عملية التمثيل الضوئي التي تقوم بها النباتات منذ ملايين السنين دون براءة اختراع، يستخدم التمثيل الضوئي الاصطناعي ضوء الشمس لتحويل الماء وثاني أكسيد الكربون إلى مركبات غنية بالطاقة. أحد هذه المنتجات هو حمض الفورميك، وهو مادة كيميائية يمكن أن تعمل كوقود وطريقة لتخزين الطاقة - مفيدة في تلك الأيام التي يقرر فيها الشمس أخذ قسط من الراحة.
في قلب هذه الأنظمة يوجد محلل كهربائي يحول الكهرباء من الخلايا الشمسية إلى طاقة كيميائية مخزنة كوقود مثل حمض الفورميك. المشكلة؟ ضوء الشمس غير متناسق بشكل سيء - لديه هذه العادة المزعجة في التغير على مدار اليوم. للتعامل مع هذا، تستخدم معظم أنظمة التمثيل الضوئي الاصطناعي تتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT)، وهي طريقة تضبط الجهد والتيار باستمرار حتى تتمكن الخلايا الشمسية من توصيل أقصى طاقة. لكن إعدادات MPPT التقليدية تعتمد عادةً على البطاريات وإلكترونيات إضافية لتنعيم تدفق الطاقة. إنها تعمل، بالتأكيد، لكنها تضيف أيضًا تكلفة وتعقيدًا، مثل إحضار سكين سويسري لمهمة تحتاج حقًا إلى مفك براغي فقط.
الفريق، بقيادة الأستاذ المشارك ياسو ماتسوبارا والأستاذ يوتاكا أوماو في مركز أبحاث التمثيل الضوئي الاصطناعي في جامعة أوساكا متروبوليتان، تعاون مع شركة إيدا جروب هولدينجز المحدودة لإعادة تصميم المحلل الكهربائي نفسه. يستخدم نهجهم إلكتروليتًا صلبًا مصممًا خصيصًا مبنيًا مباشرةً في الجهاز، مما يسمح للمحلل الكهربائي بأداء MPPT تلقائيًا - بدون حاجة لبطاريات. مع زيادة ضوء الشمس، يسخن المحلل الكهربائي، مما يتسبب في انخفاض مقاومته الكهربائية ويسمح بتدفق الكهرباء بحرية أكبر. "هذا يجعل النظام يضبط سلوكه الكهربائي تلقائيًا،" شرح البروفيسور أوماو، فيما يبدو وكأنه الحل الأكثر إرضاءً وبساطة لمشكلة معقدة منذ أن اكتشف شخص ما أن وضع غطاء على قدر يجعل الماء يغلي بشكل أسرع.
عند اختباره تحت ظروف خارجية فعلية، أنتج النظام باستمرار حمض الفورميك من الماء وثاني أكسيد الكربون، حتى مع تقلب مستويات ضوء الشمس مثل سوق الأسهم العصبي. "كنا واثقين من أنه سينجح،" قال البروفيسور ماتسوبارا، مشيرًا إلى أن النظام قد قام سابقًا بتشغيل دiorama مصغر في معرض أوساكا كانساي إكسبو 2025. نُشرت النتائج في مجلة EES Solar، وقدمت المواد من قبل جامعة أوساكا متروبوليتان - لأنه حتى العلم يحتاج إلى القليل من العلاقات العامة بين الحين والآخر.