في الوقت الذي تسعى فيه صناعة الطيران العالمية جاهدة للحد من تأثيرها على البيئة، فإن السباق مستمر لتطوير وقود الطيران المستدام (SAFs) الذي يمكن أن يحل محل وقود الطائرات التقليدي القائم على النفط. يكمن أحد الحلول الواعدة في مصدر غير متوقع - اللجنين البوليمر الحيوي الوفير. وقد أظهر الباحثون الآن عملية جديدة لتحويل اللجنين مباشرة إلى هيدروكربونات وقود الطائرات عالية الجودة، مما يمهد الطريق لمستقبل أكثر استدامة في مجال السفر الجوي.

تحدي وقود الطيران المستدام

يعد قطاع الطيران مساهمًا رئيسيًا في انبعاثات غازات الاحتباس الحراري على مستوى العالم، حيث يمثل حوالي 2-3% من الإجمالي العالمي. ومع توقع انتعاش السفر الجوي بقوة في العقود القادمة، يزداد الضغط لإيجاد طرق لإزالة الكربون من هذه الصناعة. وقد برز وقود الطائرات الآمن كجزء أساسي من الحل، حيث يوفر إمكانية خفض الانبعاثات مقارنة بوقود الطائرات التقليدي.

يتم إنتاج معظم وقود الوقود الآمن الحالي من الدهون النباتية والحيوانية، مثل الزيوت النباتية والدهون الحيوانية. ومع ذلك، فإن التوافر المحدود لهذه المواد الأولية يعني أنه لا يمكن زيادتها لتلبية الزيادة المتوقعة في الطلب على وقود الطائرات في المستقبل. يقول بين يانغ، الأستاذ في جامعة ولاية واشنطن والمؤلف الرئيسي للدراسة الجديدة: "من المتفق عليه عمومًا أنه سيكون من الضروري وجود العديد من المسارات الجديدة لتحقيق هدف عام 2050 المتمثل في تحقيق صافي انبعاثات صفرية من وقود الطائرات".

ويتمثل التحدي الآخر في أن العديد من وقود SAFs يفتقر إلى الخصائص المرغوبة لوقود الطائرات التقليدي. ويوضح يانغ قائلاً: "تحدّ العديد من شركات الطيران من الاستخدام المباشر لهذه السوائل الآمنة وتوازن وقودها مع وقود الطائرات التقليدي لتصحيح المخاوف المتعلقة بالكثافة وتورم السدادات والمكونات الأخرى". ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى عدم وجود فئات معينة من الهيدروكربونات، مثل العطريات والسيكلو ألكانات، والتي تعتبر مهمة لتوافق الوقود والأداء.

الاستفادة من إمكانيات اللجنين

أدخل اللجنين، وهو عبارة عن بوليمر عطري معقد يعد ثاني أكثر البوليمرات الطبيعية وفرة على الأرض بعد السليلوز. اللجنين هو منتج ثانوي لعمليات التكرير الحيوي المختلفة، حيث يتم إنتاج حوالي 300 مليون طن سنويًا على مستوى العالم. يقول يانغ: "يتمتع اللجنين بالقدرة على إنتاج بوليمر عطري قائم على بنية عطرية يمكن أن يكون بمثابة قاعدة لإنتاج الوقود والمواد الكيميائية والمواد".

وقد أظهرت الأبحاث السابقة التي أجرتها مجموعة يانغ وآخرون إمكانية استخدام نزع البلمرة التحفيزي والتحلل الهيدرودوكسيجين (HDO) لتحويل اللجنين إلى هيدروكربونات في نطاق وقود الطائرات. ويمكن لهذه العمليات أن تنتج بشكل انتقائي مزيجًا انتقائيًا من سيكلو ألكانات - وهي فئة هيدروكربونية يمكن أن تحل محل المواد العطرية في وقود الطائرات، مما يوفر كثافة مماثلة وخصائص انتفاخ مانعة للتسرب.

ومع ذلك، كان التحدي هو تطوير عملية التدفق المستمر التي يمكنها التعامل مع تعقيد مواد اللجنين التقنية. يقول يانغ: "إن معالجة التحديات التي تفرضها الطبيعة غير المتجانسة للليغنين أمر بالغ الأهمية لنجاح معالجة اللجنين التقني في مفاعلات التدفق المستمر".

اختراق في تحويل اللجنين المستمر

في أحدث أعمالهم، التي نُشرت في مجلة "فيول بروسيسينج تكنولوجي"، أظهر الباحثون عملية "نزع البلمرة والأكسدة المائية المتزامنة" (SDHDO) الجديدة التي يمكنها تحويل اللجنين باستمرار إلى هيدروكربونات وقود الطائرات عالية الجودة.

ويتمثل مفتاح نهجهم في محفز ثنائي الوظيفة مصمم هندسيًا، يُطلق عليه اسم Ru-HY-60-MI، والذي يجمع بين دعامة الزيوليت الحمضية وجسيمات الروثينيوم النانوية شديدة التشتت. يوضح أدارش كومار، المؤلف الأول للورقة البحثية والباحث في المختبر الوطني للطاقة المتجددة: "إن تصميم وتركيب محفزات ثنائية الوظائف فعالة ومصممة هندسيًا من أجل عملية التكسير الهيدروجيني المباشر للجنين أمر صعب".

"يؤدي التنافس بين نزع البلمرة والتشبع الحلقي والتحلل الهيدروجيني C-O إلى صعوبة في إنتاج الهيدروكربونات المشبعة الحلقي. ويمكن لمزيج ممتاز من هذه الخصائص أن يكون محفزًا فعالاً لإنتاج الهيدروكربونات المشبعة."

قام الباحثون بتعبئة محفز Ru-HY-60-MI في مفاعل تدفق مستمر وتغذيته بمحلول من اللجنين من برسيم الذرة المعالج بالقلويات. في ظروف التفاعل المثلى عند درجة حرارة 250 درجة مئوية وضغط هيدروجين 1,150 رطل لكل بوصة مربعة، تمكنوا من تحقيق أقصى إنتاجية للكربون بنسبة 17.9% لمنتج وقود الطائرات القائم على اللجنين (LJF).

وكشف التحليل التفصيلي أن وقود السوائل منخفض الكثافة يتألف من 60.2% من أحادي السليلوكان و21.6% من متعدد السليلوكان - وهي فئات هيدروكربونية ذات أهمية حاسمة لتوافق الوقود وأدائه. يقول يانغ: "يشير اختبار خصائص الوقود من المستوى ألفا إلى أن إنتاج وقود السوائل الخفيفة باستخدام كيمياء SDHDO يمكن أن ينتج وقوداً خفيفاً عالي التوافق، وخصائص إحكام جيدة، وانبعاثات منخفضة، وكثافة طاقة عالية للطائرات".

وتمثل أحد الجوانب الرئيسية للبحث في التوصيف التفصيلي للمحفز Ru-HY-60-MI قبل الاستخدام وبعده. وقد وفر ذلك رؤى قيمة حول بنية المحفز وسلوكه أثناء عملية SDHDO.

ووجد الفريق أن بنية الزيوليت HY وبلورته تم الحفاظ عليها إلى حد كبير بعد خطوات هندسة المحفز، مع وجود جسيمات الروثينيوم النانوية الصغيرة (متوسط حجمها 2.9 نانومتر) منتشرة في جميع أنحاء الدعامة. وكشف تحليل الاختزال المبرمج بالحرارة عن وجود نوعين مختلفين من أنواع أكسيد الروثينيوم، مما يشير إلى وجود تفاعلات جيدة بين المعدن والدعامة.

ومع ذلك، أظهر المحفز المستهلك بعض التغييرات المهمة. واكتشف تحليل البلازما المقترنة بالحث زيادة كبيرة في محتوى البوتاسيوم، ويرجع ذلك على الأرجح إلى التبادل الأيوني بين محلول اللجنين والزيوليت HY. كان هناك أيضًا دليل على ترسب الكربون على سطح المحفز، مما ساهم في تعطيله بمرور الوقت.

يقول كومار: "يعد تعطيل المحفز بسبب الملوثات وتكوين فحم الكوك أحد التحديات الرئيسية التي نحتاج إلى التغلب عليها لجعل هذا النهج مجديًا تجاريًا". "هناك حاجة إلى مزيد من العمل لتطوير محفزات أكثر قوة وتصميمات مفاعلات أكثر قوة يمكنها تحمل الظروف القاسية لتحويل اللجنين."

ويعتقد الباحثون أن رؤيتهم للعلاقات بين بنية المحفز ونشاطه ستساعد في توجيه تطوير الجيل التالي من المحفزات للترقية المستمرة للجنين. ويشير كومار إلى أن "منهجيات توصيف المحفز تشير إلى أن Ru-HY-60-MI يحتوي على Ru صغير الحجم مع تشتت جيد على دعامة HY-60". "ومع ذلك، لوحظ تعطيل المحفز بسبب تبادل أيون K+ من محلول اللجنين إلى HY-60 وترسب الكربون على سطح Ru-HY-60-MI أثناء التجربة."

يعد العرض الناجح لعملية SDHDO في التدفق المستمر خطوة مهمة إلى الأمام لتسويق وقود الطائرات القائم على اللجنين. وقد اعتمدت الدراسات السابقة حول وقود الوقود النفاث القائم على اللجنين على مفاعلات الدُفعات التي تعتبر أقل قابلية للتطوير وقابلة للتطبيق اقتصاديًا للإنتاج على نطاق واسع.

"يقول يانغ: "سيساعد الإنتاج على نطاق تجاري على تحقيق الفوائد البيئية لوقود الطيران المستدام. "ولتحقيق هدف الإنتاج التجاري لوقود الوقود المستخلص من الوقود السائل، لا بد من عملية مستمرة."

ويشير الباحثون إلى أن نهجهم يعالج العديد من التحديات الرئيسية المرتبطة بتحويل اللجنين المستمر. ويوضح يانغ قائلاً: "لقد تغلبنا على تعقيدات التحويل المباشر للجنين والحفاظ على الهياكل الدورية في المنتج من خلال استخدام تقنيات هندسة التفاعل المبتكرة".

واستشرافًا للمستقبل، يعمل الفريق على مواصلة تحسين العملية ومعالجة العقبات المتبقية. يقول يانغ: "سنواصل تطوير العملية نحو النشر من خلال التغلب على ثلاثة تحديات رئيسية: خفض تكلفة محفز المعالجة الهيدروجينية، وتحسين كفاءة المحفزات الصلبة بسبب البنية البوليمرية للليغنين، وإعاقة تعطيل المحفز بسبب الملوثات وتكوين فحم الكوك".

وفي حال نجاحه، يمكن أن يفتح وقود الطائرات القائم على اللجنين إمكانيات جديدة للطيران المستدام. ويوضح يانغ قائلاً: "يمكن أن يوفر وقود اللجنين الخفيف خصائص تكميلية لمسارات وقود الوقود النفاث الحالية حيث يوفر الكثافة المطلوبة وتضخم الختم الذي لا يمكن أن يحققه وقود ن والأيزو ألكان مع تعزيز رقم السيتان المشتق من الوقود المخلوط".

كما أن الفوائد البيئية المحتملة كبيرة أيضًا. يقول يانغ: "يمكن أن يؤدي الإنتاج الاقتصادي لوقود الطائرات القائم على اللجنين إلى تحسين استدامة وقود الطيران المستدام وكذلك يمكن أن يقلل من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري بشكل عام".

طريق واعد لمستقبل أكثر اخضراراً في مجال الطيران؟

يمثل تطوير وقود الطائرات القائم على اللجنين إنجازاً مثيراً في السعي إلى تحقيق سفر جوي أكثر استدامة. فمن خلال الاستفادة من مورد اللجنين التقني الوفير وغير المستغل بشكل كافٍ، أظهر الباحثون مساراً قابلاً للتطبيق لإنتاج هيدروكربونات وقود الطائرات عالية الجودة التي يمكن أن تكمل خيارات وقود الطائرات الحالية.

تتغلب عملية SDHDO المستمرة، التي تم تمكينها من خلال محفز مبتكر ثنائي الوظيفة، على العديد من التحديات الرئيسية المرتبطة بتحويل اللجنين وتمهد الطريق للإنتاج المحتمل على نطاق تجاري. وفي حين أن التحديات لا تزال قائمة، إلا أن الوعد الذي يحمله وقود الطائرات المشتق من اللجنين واضح، وهو مستقبل يمكن فيه تشغيل السفر الجوي بوقود متجدد منخفض الانبعاثات مشتق من نفايات النباتات.

في الوقت الذي تواصل فيه صناعة الطيران العالمية التعامل مع تأثيرها على البيئة، تقدم حلول مثل وقود الطائرات القائم على اللجنين لمحة عن مسار أكثر استدامة للمضي قدماً. ومع إجراء المزيد من الأبحاث والتحسينات، يمكن أن تلعب هذه التكنولوجيا دورًا حاسمًا في مساعدة القطاع على تحقيق أهدافه الطموحة في إزالة الكربون.

المرجع (المراجع)

1. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2024.108129

انقر على TAGS للاطلاع على المقالات ذات الصلة :

الطيران | التغير المناخي | البيئة | المجتمع