توليد الطاقة المتجددة بخلايا الوقود الميكروبي.. تقنية واعدة

د. عبدالله الشهري المتخصص في البايوتكنولوجي ل اليوم:

قال أكاديمي وباحث متخصص في البايوتكنولوجي والطاقة المتجددة، إن الطاقة النووية لوحدها ليست حلا، لافتا إلى أن التوقعات تشير إلى أن اليورانيوم المتاح قادر على إنتاج 100 تريليون واط - ساعة من الكهرباء فقط، وإن استهلاك 10 تريليونات واط من الطاقة النووية سنويا يؤدي إلى نفاذ اليورانيوم في أقل من عقد من الزمان، علاوة على ما سيلحق بالبيئة من أضرار جراء عمليات التعدين للحصول على اليورانيوم، وتخزين المخلفات النووية، إضافة إلى انخفاض مستوى السلامة عند التعامل مع الطاقة النووية.
وقال ل"اليوم" الدكتور عبدالله الشهري أستاذ الميكروبيولوجيا المساعد بجامعة أم القرى، والباحث في البايوتكنولوجي والطاقة المتجددة، أحد المتخصصين في الطاقة المتجددة على مستوى الشرق الأوسط "إن الطاقة الشمسية هي أحد الحلول، لكن تعتمد على كيفية التحصل عليها واستغلالها، حيث إننا حاليا على مستوى العالم نستخدم فقط ساعة واحدة من الطاقة الشمسية التي تسقط على الأرض سنويا والمقدر ب 4،3×1020جول، كما أن الشمس لا تشرق طوال اليوم وليست بنفس المستوى من الإشراق في كل المناطق، وعليه فإن الشمس يمكن أن تمدنا بالطاقة الكهربائية نهارا فقط دون الليل، وذلك بدون آليات تخزين ذات كفاءة عالية، والحل الأمثل لكل من إنتاج الطاقة والحد من مشاكل التغير المناخي يمكن تحقيقه من خلال توليد الطاقة الكهربائية المتجددة بواسطة خلايا الوقود الميكروبي".
خلايا الوقود الميكروبي
وأوضح "الشهري": "يمكن توليد الطاقة المتجددة باستخدام خلايا الوقود الميكروبي (Microbial Fuel Cells (MFCs)، والتي تُعد تقنية حيوية واعدة تمثل أحدث طريقة لتوليد الطاقة المتجددة (الكهرباء الحيوية المتجددة) من الكتلة الحيوية باستخدام البكتيريا في مفاعل حيوي لتحويل الطاقة الكيميائية المختزنة في المركبات العضوية إلى طاقة كهربائية خلال تفاعل محفز ميكروبيا تحت ظروف لا هوائية، وأول من سجل توليد تيار كهربائي بواسطة البكتيريا، كان العالم Potter عام 1911، عقب ذلك لم يحدث تقدم كبير يذكر حتى أوائل التسعينات، حيث أصبح هناك اهتمام متزايد بخلايا الوقود الميكروبي، وفي السنوات الأخيرة حصل تقدم سريع وقفزة كبيرة في أبحاث خلايا الوقود الميكروبي المنشورة في المجلات العالمية".
وتابع الشهري: "في خلايا الوقود الميكروبي MFCs تقوم الكائنات الحية الدقيقة بهدم (أكسدة) مادة عضوية وإنتاج الالكترونات ترحل عبر سلسلة إنزيمات التنفس لصنع الطاقة في الخلية على هيئة مركب ATP، ثم تتحرر الالكترونات إلى المستقبل النهائيTerminal Electron Acceptor (TEA)، الذي يستقبل الإلكترونات ويصبح مختزلا، والعديد من المستقبلات النهائية للإلكترونات (TEAs)، مثل الأكسجين، النترات، الكبريتات وغيرها، ويمكن بسهولة أن تنتشر إلى داخل الخلية حيث تستقبل الالكترونات لتكون مركبا يستطيع الانتشار إلى خارج الخلية، رغم ذلك يوجد بعض أنواع البكتيريا تستطيع نقل الإلكترونات مباشرة خارج الخلية Exogeneously إلى مستقبل نهائي للإلكترونات مثل أكسيد الحديد، والبكتيريا التي تستطيع أن تنقل الإلكترونات خارجيا تدعى Exoelectrogens، حيث يمكن استعمالها لإنتاج الكهرباء في خلايا الوقود الميكروبي، والاسم التعريفي لهذه العملية هو Electrogenesis حيث يشير إلى عملية توليد الكهرباء وذلك من خلال مفاعل عبارة عن خلية وقود ميكروبي، حيث إن الأكسجين عند تواجده في أسطوانة المصعد «Anode» يؤدي إلى تثبيط توليد الكهرباء، فيجب أن يصمم المفاعل ليبقي البكتيريا في معزل عن O2، وذلك بوضع غشاء أو قنطرة ملحية تسمح بعبور البروتونات فقط بين الأسطوانتين (المقصورتين)، حيث أسطوانة تحتوي على المصعد وفيها يتم تنمية البكتيريا، وأسطوانة تحتوي على المهبط حيث تتفاعل الإلكترونات مع الكاثوليت Catholyte (سائل مقصورة المهبط)، مقصورة المهبط تضخ بالهواء لتزويدها بالأكسجين المذاب من اجل التفاعل. القضيبين الكهربائيين متصلان ببعضهما من خلال سلك يحتوي على مقاومة، وعليه فإن آلية العمل تتلخص في نفاذ البروتونات المتولدة في المصعد إلى المهبط عبر القنطرة الملحية، وهجرة الإلكترونات عبر السلك إلى المهبط حيث تتحد مع البروتونات والأكسجين لتشكل الماء، والتيار الكهربائي المنتج بواسطة MFC يتم حسابه بمراقبة الجهد Voltage العابر للمقاومة".
التغير المناخي
وتابع "الشهري": "الطاقة أصبحت المطلب الأول والأساسي في العالم أجمع، بها تنهض الدول وتتقدم الشعوب وتنعم بحياة رغيدة هانئة، لذا فإن الحصول عليها هو الهاجس لدى دول العالم كلها، والنفط ومشتقاته يعتبر المصدر الأساسي للطاقة اليوم، يليه بعض المحاولات غير المكتملة لإيجاد مصادر للطاقة، مثل الطاقة النووية و الطاقة الشمسية، إلا أن المصدرين الأخيرين يحدهما الكثير من الصعوبات والعقبات، لذلك ما زال النفط ومشتقاته المختلفة هو المصدر الأول والأساسي للطاقة في العالم اليوم، وهذا الشكل من الطاقة المعتمد على التنقيب والحفر يطلق عليه اسم الوقود الأحفوري، وجميع دول العالم تقريبا تستهلك كميات هائلة جدا من النفط يوميا لتسيير مرافق الحياة التي جميعها بلا استثناء تحتاج إلى الطاقة في صورها المختلفة، لذا فإننا نرى العالم من حولنا ينشيء الهيئات والمنظمات لتدير الاحتياج العالمي للنفط. ويلعب النفط العامل الأساس في الصراعات الدولية بمختلف أشكالها اليوم، علاوة على أن العديد من الباحثين قد أشاروا إلى أن المخزون العالمي من النفط يتراجع يوما بعد يوم، حتى إذا ما نضب رجع العالم إلى نقطة البداية من دون طاقة، إضافة إلى أن استغلال الوقود الأحفوري يعني أننا نقوم باسترجاع ثاني أكسيد الكربون (CO2) المختزن في باطن الأرض منذ آلاف السنين وإطلاقه في الغلاف الجوي مرة أخرى، مما تسبب في التغير المناخي والاحتباس الحراري الذي نتج عنه ارتفاع درجة حرارة الأرض، حتى إن العديد من المنظمات والهيئات المعنية بالبيئة والتغير المناخي من خلال المؤتمرات العالمية المنعقدة مؤخرا وبشكل سنوي تنذر بكارثة بيئية في المستقبل القريب إذا استمر إطلاق CO2 من الوقود الأحفوري بنفس المستوى الذي هو عليه اليوم، الأمر الذي جعل العديد من الدول توقع على معاهدات للحد من انبعاث غاز CO2، إلا أن هذا يعني فقد جزء من الطاقة التي تحتاجها الدول، إضافة إلى ان البيئة تعاني من التلوثات العضوية المتمثلة في سكب المخلفات المائية لمختلف المرافق الصناعية والمدنية وما يترتب على ذلك من تدمير للحياة الفطرية وانتشار الأمراض العضوية والوبائية وهو الأمر الذي يحتاج لمعالجته بذل وصرف كميات كبيرة من الطاقة، من هنا نجد أن الطاقة هي العامل المشترك في كثير من القضايا والمشاكل العالمية اليوم، ويأتي البحث العلمي ليقدم تقنية حديثة واعدة تلعب في ظل أزمة الطاقة العالمية ومشاكل التغير المناخي والتلوث البيئي كطوق نجاة، متمثل في تقنية خلايا الوقود الميكروبي، وفيها تستغل قدرة بعض أنواع البكتيريا على استغلال المركبات العضوية المختلفة والموجودة في المخلفات المائية كمادة تفاعل داخل مفاعل خلية الوقود الميكروبي، حيث تعمل على تكسير هذه الملوثات العضوية إلى مواد بسيطة غير ضارة بالبيئة وفي نفس الوقت تعمل هذه البكتيريا والتي تمتلك نشاطا كهروكيميائي على إنتاج الطاقة الكهربائية في مفاعل خلية الوقود الميكروبي، فنكون بهذه التقنية الصديقة للبيئة قد أمنا مصدرا حيويا متجددا مستداما من الطاقة النظيفة وفي نفس الوقت عملنا على الحد من انبعاث CO2 في الغلاف الجوي وبالتالي حل مشكلة التغير المناخي، علاوة على معالجة المخلفات المائية بل إنتاج الطاقة الكهربائية منها بدلا أن نصرف نحن عليها الكهرباء من أجل معالجتها".
الحاجة إلى الطاقة
وقال "الشهري": "هناك ما يزيد عن 6 مليارات إنسان على سطح الأرض، ومن المتوقع ازدياد العدد ليصل إلى أكثر من 9 مليارات بحلول عام 2050 كما أشار إلى ذلك بعض الدراسات، والوقود الاحفوري يقوم منذ القرن الماضي بدعم نمو الدول صناعيا واقتصاديا، ومن الواضح أن التزايد على الطلب والتوسع والنمو المضطرد قد يؤدي إلى شح أو حتى نفاد لهذا المصدر من الطاقة في السنوات القادمة، الأمر الذي قد يجعل الطاقة وكيفية الحصول عليها وتكلفة ذلك مسيطر على الاقتصاد وأسلوب الحياة في المستقبل. كما يتوقع أن تزداد الحاجة إلى الطاقة عالميا من 421 كوادريليون (1015) وحدة حرارية British Thermal Units (BTUs) في عام 2003 إلى 722 كوادريليون (BTUs) في عام 2030. أجمالي الطاقة المستهلكة سنويا في أمريكا تبلغ 100 كوادريليون (BTUs) (1،1×1015 جول)، والطاقة الكهربائية خصوصا هي الأكبر احتياجا من بين أنواع الطاقة الأخرى، فمثلا الطاقة في أمريكا تشتق من المصادر الطبيعية والتي أغلبها الوقود الاحفوري، وتشكل الطاقة الكهربائية المحتاج إليها والمستهلكة أكثر من 18٪ من أجمالي الطاقة في أمريكا".
وأضاف الشهري: "يعتبر النفط، الغاز الطبيعي، والفحم الحجري أهم مصادر الطاقة حاليا، وقد أدت الزيادة والتوسع في الطلب للطاقة مؤخرا إلى حلول متمثلة في إيجاد مصادر أخرى من النفط عبر البحث عن حقول جديدة أو مصادر أخرى للوقود الاحفوري، مثل القطران والزيت، ونتج عن ذلك مشكلة التغير المناخي على سطح الأرض، حيث إن إطلاق ثاني أكسيد الكربون المختزن في الوقود الاحفوري عند استخدامه أدى إلى زيادة تركيز CO2 في الغلاف الجوي، من 316 جزءا لكل مليون حجمي في 1959 إلى 377 جزءا لكل مليون حجمي في 2004، وبحلول عام 2100 يقدر تركيز ثاني أكسيد الكربون في كل مكان بحوالي 540 إلى 970 جزءا لكل مليون حجمي، والاستمرار في إنتاج الطاقة بهذه الطرق سوف يؤدي إلى مستوى تاريخي في ارتفاع تركيز CO2، الأمر الذي ينتج عنه احتباس حراري عالمي، قد يتسبب في ارتفاع درجة حرارة الأرض عما كانت عليه من قبل، وهذا يؤدي إلى ذوبان الجليد وبالتالي ارتفاع منسوب مياه البحر، مما قد يهدد بحدوث فيضانات عالمية، وما مؤتمر الأمم المتحدة للتغير المناخي المنعقد مؤخرا في باريس إلا تجسيد لهذه المشكلة العالمية الحقيقية، والتحدي البيئي الأعظم يتمثل في إيجاد حل لكل من إنتاج الطاقة بمقدار كاف وفي نفس الوقت الحد من انبعاث CO2".
النفط أهم مصادر الطاقة حاليا واستخراجه يكلف ماديا ويضر بيئيا