Fotosyntéza: základný mechanizmus pre život na tejto planéte, metla študentov biológie s maturitou a teraz potenciálny spôsob boja proti zmene podnebia. Vedci tvrdo pracujú na vývoji umelej metódy, ktorá napodobňuje to, ako rastliny používajú slnečné svetlo na premenu CO2 a vody na niečo, čo môžeme použiť ako palivo. Ak to bude fungovať, bude to pre nás obojstranne výhodný scenár: z takto vyrobenej obnoviteľnej energie nielenže budeme mať úžitok, ale mohla by sa stať dôležitým spôsobom, ako znížiť hladinu CO2 v atmosfére.
Rastlinám však trvalo miliardy rokov, kým vyvinuli fotosyntézu, a to nie je vždy ľahká úloha replikovať, čo sa deje v prírode. Momentálne fungujú základné kroky umelej fotosyntézy, ale nie veľmi efektívne. Dobrou správou je, že výskum v tejto oblasti naberá na obrátkach a na celom svete existujú skupiny, ktoré podnikajú kroky k využitiu tohto integrálneho procesu.
Dvojstupňová fotosyntéza
Fotosyntéza nie je len o zachytávaní slnečného žiarenia. Za to môže jašterica kúpajúca sa na teplom slnku. Fotosyntéza sa vyvinula v rastlinách ako spôsob, ako zachytiť a uložiť túto energiu (foto bit) a premeniť ju na uhľohydráty (bit syntézy). Rastliny používajú sériu proteínov a enzýmov poháňaných slnečným žiarením na uvoľňovanie elektrónov, ktoré sa zase používajú na premenu CO2 na zložité sacharidy. Rovnakým spôsobom v zásade postupuje aj umelá fotosyntéza.
Pozrite si súvisiace príspevky zo žiaroviek v Londýne sa menia na nabíjacie body Solárna energia vo Veľkej Británii: Ako funguje solárna energia a aké sú jej výhody?
Pri prírodnej fotosyntéze, ktorá je súčasťou prírodného uhlíkového cyklu, prúdi do rastliny svetlo, CO2 a voda, ktorá produkuje cukor, vysvetľuje Phil De Luna, kandidát PhD, ktorý pracuje na Katedre elektrotechniky a počítačovej techniky na univerzite z Toronta. Pri umelej fotosyntéze používame anorganické prístroje a materiály. Aktuálna časť získavajúca slnečnú energiu sa vyrába solárnymi článkami a časť premeny energie sa vykonáva elektrochemickými [reakciami v prítomnosti] katalyzátorov.
To, čo sa týmto procesom skutočne páči, je schopnosť vyrábať palivo na dlhodobé skladovanie energie. To je oveľa viac, ako dokážu súčasné obnoviteľné zdroje energie, dokonca aj s objavujúcou sa technológiou batérií. Ak slnko nie je vonku alebo napríklad nie je veterný deň, solárne panely a veterné farmy jednoducho prestanú produkovať. Pre dlhodobé sezónne skladovanie a skladovanie v zložitých palivách potrebujeme lepšie riešenie, hovorí De Luna. Batérie sú skvelé na každý deň, do telefónov a dokonca aj do automobilov, nikdy však [Boeing] 747 s batériou nepôjdeme.
Výzvy na riešenie
Pokiaľ ide o vytváranie solárnych článkov - prvý krok v procese umelej fotosyntézy - už máme zavedenú technológiu: solárne systémy. Súčasné fotovoltaické panely, ktoré sú zvyčajne systémami na báze polovodičov, sú však v porovnaní s prírodou pomerne drahé a neefektívne. Je potrebná nová technológia; taký, ktorý zbytočne míňa menej energie.
Gary Hastings a jeho tím z Gruzínska štátna univerzita v Atlante , možno narazili na východiskový bod pri pohľade na pôvodný proces v rastlinách. Pri fotosyntéze je rozhodujúcim bodom pohyb elektrónov po určitej vzdialenosti v bunke. Veľmi zjednodušene povedané, je to tento pohyb spôsobený slnečným žiarením, ktorý sa neskôr premení na energiu. Hastings ukázal, že tento proces je v prírode veľmi efektívny, pretože tieto elektróny sa nemôžu vrátiť do svojej pôvodnej polohy: Ak sa elektrón vráti tam, odkiaľ prišiel, stratí sa slnečná energia. Aj keď je táto možnosť v rastlinách zriedkavá, stáva sa to dosť často v solárnych paneloch, čo vysvetľuje, prečo sú menej účinné ako skutočná vec.
Hastings je presvedčený, že tento výskum pravdepodobne pokročí v technológiách solárnych článkov súvisiacich s výrobou chemikálií alebo palív, ale rýchlo poukazuje na to, že v súčasnosti je to iba nápad a je nepravdepodobné, že by sa tak skoro stalo. Pokiaľ ide o výrobu plne umelej technológie solárnych článkov, ktorá je navrhnutá na základe týchto myšlienok, domnievam sa, že táto technológia je v budúcnosti ďalej, pravdepodobne nie v priebehu nasledujúcich piatich rokov, dokonca ani v prípade prototypu.
Jeden problém, o ktorom sa vedci domnievajú, že sme blízko riešenia, zahŕňa druhý krok procesu: premenu CO2 na palivo. Pretože je táto molekula veľmi stabilná a jej rozbitie si vyžaduje neuveriteľné množstvo energie, umelý systém používa katalyzátory na zníženie potrebnej energie a na urýchlenie reakcie. Tento prístup však prináša svoj vlastný súbor problémov. Za posledných desať rokov došlo k mnohým pokusom s katalyzátormi vyrobenými z mangánu, titánu a kobaltu, ale dlhodobé používanie sa ukázalo ako problém. Teória sa môže javiť ako dobrá, ale buď prestanú pracovať po niekoľkých hodinách, stanú sa nestabilnými, spomalia sa alebo vyvolajú ďalšie chemické reakcie, ktoré môžu bunku poškodiť.
ale zdá sa, že spolupráca medzi kanadskými a čínskymi vedcami zasiahla jackpot . Našli spôsob, ako skombinovať nikel, železo, kobalt a fosfor na prácu v neutrálnom pH, čo výrazne uľahčuje prevádzku systému. Pretože náš katalyzátor môže dobre fungovať v elektrolyte s neutrálnym pH, ktorý je potrebný na zníženie CO2, môžeme vykonať elektrolýzu zníženia CO2 v [bez] membránovom systéme, a preto je možné znížiť napätie, hovorí Bo Zhang z oddelenia makromolekulárnych vied na Fudanskej univerzite v Číne. Vďaka pôsobivej 64% premene elektrickej energie na chemickú je tím teraz držiteľom rekordov s najvyššou účinnosťou pre systémy umelej fotosyntézy.
ako sa dá chatovať bez toho, aby o tom vedeli
Najväčší problém s tým, čo momentálne máme, je mierka
Za ich úsilie sa tím dostal do semifinále v súťaži NRG COSIA Carbon XPRIZE, ktorá im mohla za ich výskum získať 20 miliónov dolárov. Cieľom je vyvinúť prelomové technológie, ktoré premenia emisie CO2 z elektrární a priemyselných zariadení na hodnotné výrobky a so zlepšenými systémami umelej fotosyntézy majú veľké šance.
Ďalšou výzvou je škálovanie. Najväčší problém s tým, čo momentálne máme, je mierka. Keď sa zväčšíme, nakoniec stratíme efektívnosť, hovorí De Luna, ktorý bol tiež zapojený do Zhangovej štúdie. Našťastie vedci nevyčerpali svoj zoznam vylepšení a teraz sa snažia zefektívniť katalyzátory pomocou rôznych kompozícií a rôznych konfigurácií.
Výhra na dvoch frontoch
Určite stále existuje priestor na zlepšenie v krátkodobom aj dlhodobom horizonte, ale mnohí majú pocit, že umelecká fotosyntéza má potenciál stať sa dôležitým nástrojom čistej a udržateľnej technológie pre budúcnosť.
Je to neuveriteľne vzrušujúce, pretože pole sa pohybuje tak rýchlo. Pokiaľ ide o komercializáciu, sme v bode zlomu, hovorí De Luna a dodáva, že to, či to bude fungovať, bude závisieť od mnohých faktorov, medzi ktoré patrí verejná politika a prijatie odvetvia na akceptovanie technológie obnoviteľnej energie.
Správna veda je teda skutočne iba prvý krok. Po výskume ľudí ako Hastings a Zhang prídu zásadné kroky k absorpcii umelej fotosyntézy do našej globálnej stratégie týkajúcej sa obnoviteľnej energie. Stávky sú vysoké. Ak sa to podarí presadiť, môžeme zvíťaziť na dvoch frontoch - nielen pri výrobe palív a chemických výrobkov, ale aj pri znižovaní našej uhlíkovej stopy v tomto procese.
