Fotosinteza: temeljni mehanizam za život na ovom planetu, pošast studenata GCSE biologije i sada potencijalni način borbe protiv klimatskih promjena. Znanstvenici naporno rade na razvoju umjetne metode koja oponaša kako biljke koriste sunčevu svjetlost za pretvaranje CO2 i vode u nešto što možemo koristiti kao gorivo. Ako uspije, za nas će to biti win-win scenarij: ne samo da ćemo imati koristi od obnovljive energije proizvedene na ovaj način, već bi mogao postati važan način za smanjenje razine CO2 u atmosferi.
Međutim, biljkama su trebale milijarde godina da razviju fotosintezu i nije uvijek lak zadatak preslikati ono što se događa u prirodi. Trenutno osnovni koraci u umjetnoj fotosintezi djeluju, ali ne baš učinkovito. Dobra vijest je da istraživanja na ovom polju ubrzavaju i da skupine širom svijeta čine korake prema iskorištavanju ovog cjelovitog procesa.
Fotosinteza u dva koraka
Fotosinteza nije samo hvatanje sunčeve svjetlosti. Gušter koji se kupa na toplom suncu to može. Fotosinteza se razvila u biljkama kao način da se ta energija (foto-bit) uhvati i pohrani i pretvori u ugljikohidrate (bit sinteze). Biljke koriste niz proteina i enzima koje pokreće sunčeva svjetlost za oslobađanje elektrona, koji se pak koriste za pretvaranje CO2 u složene ugljikohidrate. U osnovi, umjetna fotosinteza slijedi iste korake.
Pogledajte povezane lampe u Londonu pretvaraju se u punionice Solarna energija u Velikoj Britaniji: Kako solarna energija radi i koje su njegove prednosti?
U prirodnoj fotosintezi, koja je dio prirodnog ciklusa ugljika, u biljku ulazi svjetlost, CO2 i voda, a biljka stvara šećer, objašnjava Phil De Luna, doktorat koji radi na Odjelu za elektrotehniku i računarsko inženjerstvo Sveučilišta Toronta. U umjetnoj fotosintezi koristimo anorganske uređaje i materijale. Stvarni dio solarne berbe obavljaju solarne ćelije, a dio pretvorbe energije elektrokemijskim [reakcijama u prisutnosti] katalizatora.
Ono što zaista privlači ovaj postupak je sposobnost proizvodnje goriva za dugoročno skladištenje energije. To je mnogo više od onoga što trenutni obnovljivi izvori energije mogu učiniti, čak i s novom tehnologijom baterija. Na primjer, ako sunce ne izlazi ili ako nije vjetrovit dan, solarni paneli i vjetroelektrane jednostavno prestaju proizvoditi. Za dulje sezonsko skladištenje i skladištenje u složenim gorivima trebamo bolje rješenje, kaže De Luna. Baterije su izvrsne za svakodnevni rad, za telefone, pa čak i za automobile, ali nikada nećemo pokretati [Boeing] 747 s baterijom.
Izazovi koje treba riješiti
Kad je riječ o stvaranju solarnih ćelija - prvom koraku u procesu umjetne fotosinteze - već imamo uspostavljenu tehnologiju: sustave solarne energije. Međutim, trenutni fotonaponski paneli, koji su obično sustavi temeljeni na poluvodičima, relativno su skupi i neučinkoviti u usporedbi s prirodom. Potrebna je nova tehnologija; onaj koji troši daleko manje energije.
Gary Hastings i njegov tim iz Državno sveučilište Georgia, Atlanta , možda je nabasao na početnu točku gledajući izvorni postupak u biljkama. U fotosintezi, presudna točka uključuje pomicanje elektrona na određenoj udaljenosti u stanici. Jednostavno rečeno, to se kretanje uzrokovano sunčevom svjetlošću kasnije pretvara u energiju. Hastings je pokazao da je postupak vrlo učinkovit u prirodi jer se ti elektroni ne mogu vratiti u prvobitni položaj: ako se elektron vrati tamo odakle je i došao, tada se sunčeva energija gubi. Iako je ta mogućnost rijetka u biljkama, na solarnim se pločama događa prilično često, objašnjavajući zašto su manje učinkovite od stvarnih.
Hastings vjeruje da će ovo istraživanje vjerojatno unaprijediti tehnologije solarnih ćelija povezanih s proizvodnjom kemikalija ili goriva, ali brzo naglašava da je to trenutno samo ideja i da se taj napredak vjerojatno neće dogoditi uskoro. Što se tiče proizvodnje potpuno umjetne tehnologije solarnih ćelija koja je dizajnirana na temelju tih ideja, vjerujem da je tehnologija dalje u budućnosti, vjerojatno ni u sljedećih pet godina, čak ni za prototip.
Jedan od problema istraživača vjeruje da smo blizu rješavanja uključuje drugi korak u procesu: pretvaranje CO2 u gorivo. Kako je ova molekula vrlo stabilna i za njezino razbijanje potrebna je nevjerojatna količina energije, umjetni sustav koristi katalizatore kako bi smanjio potrebnu energiju i ubrzao reakciju. Međutim, ovaj pristup donosi svoj niz problema. Bilo je mnogo pokušaja tijekom posljednjih deset godina, s katalizatorima izrađenim od mangana, titana i kobalta, ali dugotrajna upotreba pokazala se kao problem. Teorija se može činiti dobrom, ali oni ili prestaju raditi nakon nekoliko sati, postaju nestabilni, usporeni ili pokreću druge kemijske reakcije koje mogu oštetiti stanicu.
Ali čini se da je suradnja između kanadskih i kineskih istraživača pogodila jackpot . Pronašli su način da kombiniraju nikal, željezo, kobalt i fosfor kako bi radili u neutralnom pH, što znatno olakšava upravljanje sustavom. Budući da naš katalizator može dobro raditi u elektrolitu neutralnog pH, što je neophodno za smanjenje CO2, možemo pokrenuti elektrolizu smanjenja CO2 u [a] sustavu bez membrane, a time i napon može se smanjiti, kaže Bo Zhang iz Odjela znanosti makromolekula na Sveučilištu Fudan, Kina. S impresivnih 64% pretvorbe električne u kemijsku energiju, tim je sada rekorder s najvećom učinkovitošću za umjetne sustave fotosinteze.
kako kopirati oznake s kroma -
Najveći problem onoga što trenutno imamo je razmjera
Za svoje napore tim je stigao do polufinala NRG COSIA Carbon XPRIZE, što bi im moglo donijeti 20 milijuna dolara za istraživanje. Cilj je razviti revolucionarne tehnologije koje će emisije CO2 iz elektrana i industrijskih postrojenja pretvoriti u vrijedne proizvode i sa svojim poboljšanim sustavima umjetne fotosinteze imaju dobre šanse.
Sljedeći izazov je povećavanje. Najveći problem onoga što trenutno imamo je razmjera. Kad se povećavamo, na kraju gubimo učinkovitost, kaže De Luna, koji je također bio uključen u Zhangovu studiju. Srećom, istraživači nisu iscrpili svoj popis poboljšanja i sada pokušavaju učiniti katalizatore učinkovitijim kroz različite sastave i različite konfiguracije.
Pobjeda na dva fronta
Svakako još uvijek ima prostora za poboljšanje kako u kratkom, tako i u dugoročnom razdoblju, ali mnogi smatraju da umjetna fotosinteza može postati važan alat kao čista i održiva tehnologija za budućnost.
Nevjerojatno je uzbudljivo jer se polje tako brzo kreće. Što se tiče komercijalizacije, mi smo na prekretnici, kaže De Luna, dodajući da će, hoće li uspjeti, ovisiti o puno čimbenika, koji uključuju javnu politiku i usvajanje od strane industrije da prihvati tehnologiju obnovljivih izvora energije.
Ispravljanje znanosti u stvari je zapravo samo prvi korak. Nakon istraživanja poput Hastingsa i Zhanga doći će presudan potez za apsorbiranje umjetne fotosinteze u našu globalnu strategiju oko obnovljive energije. Ulog je velik. Ako se povuče, pobijedit ćemo na dva fronta - ne samo da proizvodimo goriva i kemijske proizvode, već i smanjujemo naš ugljični otisak u tom procesu.
