Dirbtinė fotosintezė: „du viename“ technologija, galinti išgelbėti planetą

Fotosintezė: pagrindinis šios planetos gyvenimo mechanizmas, GCSE biologijos studentų rykštė ir dabar galimas būdas kovoti su klimato kaita. Mokslininkai labai stengiasi sukurti dirbtinį metodą, imituojantį tai, kaip augalai saulės šviesą paverčia CO2 ir vandeniu į tai, ką galime naudoti kaip kurą. Jei tai pasiteisins, tai bus naudingas scenarijus: naudosime ne tik tokiu būdu pagaminta atsinaujinanti energija, bet ir tai gali tapti svarbiu būdu sumažinti CO2 kiekį atmosferoje.

Tačiau augalams prireikė milijardų metų sukurti fotosintezę, ir ne visada lengva užduotis pakartoti tai, kas vyksta gamtoje. Šiuo metu pagrindiniai dirbtinės fotosintezės žingsniai veikia, bet ne itin efektyviai. Geros naujienos yra tai, kad šios srities tyrimai įsibėgėja ir visame pasaulyje yra grupių, kurios žengia žingsnius link šio vientiso proceso panaudojimo.

Dviejų pakopų fotosintezė

Fotosintezė nėra tik saulės spindulių fiksavimas. Driežas, besimaudantis šiltoje saulėje, gali tai padaryti. Fotosintezė išsivystė augaluose, kaip būdas užfiksuoti ir kaupti šią energiją (nuotraukos bitas) ir paversti ją angliavandeniais (sintezės bitas). Augalai naudoja daug baltymų ir fermentų, veikiamų saulės spindulių, išskiriant elektronus, kurie savo ruožtu naudojami CO2 paverčiant sudėtingais angliavandeniais. Iš esmės dirbtinė fotosintezė atliekama tais pačiais žingsniais.

Žr. Susijusius lempos pranešimus Londone paverčiami įkrovimo taškais. Saulės energija JK: kaip veikia saulės energija ir kokie jos pranašumai?

Natūralios fotosintezės metu, kuris yra natūralaus anglies ciklo dalis, į gamyklą patenka šviesa, CO2 ir vanduo, o augalas gamina cukrų, - paaiškina universiteto Elektros ir kompiuterių inžinerijos katedroje dirbantis doktorantas Philas De Luna. Toronto. Dirbtinėje fotosintezėje naudojame neorganinius prietaisus ir medžiagas. Faktinę saulės energijos surinkimo dalį atlieka saulės elementai, o energijos konversijos dalį atlieka elektrocheminiai [reakcijos dalyvaujant] katalizatoriuose.

Kas iš tikrųjų patinka šiam procesui, yra galimybė gaminti kurą ilgalaikiam energijos kaupimui. Tai yra daug daugiau nei tai, ką gali padaryti dabartiniai atsinaujinantys energijos šaltiniai, net ir naudojant besiformuojančią baterijų technologiją. Pavyzdžiui, jei saulės nėra, ar ne vėjuota diena, saulės baterijos ir vėjo jėgainės tiesiog nustoja gaminti. Ilgesniam sezoniniam saugojimui ir laikymui sudėtingame kure mums reikia geresnio sprendimo, sako De Luna. Baterijos puikiai tinka kasdien, telefonams ir net automobiliams, tačiau niekada neketiname paleisti „[Boeing] 747“ su akumuliatoriumi.

Iššūkiai, kuriuos reikia išspręsti

Kalbant apie saulės elementų kūrimą - tai pirmasis žingsnis dirbtinės fotosintezės procese - mes jau turime technologiją: saulės energijos sistemas. Tačiau dabartinės fotovoltinės plokštės, kurios paprastai yra puslaidininkių sistemos, yra palyginti brangios ir neefektyvios, palyginti su gamta. Reikalinga nauja technologija; tas, kuris eikvoja kur kas mažiau energijos.

Gary Hastingsas ir jo komanda iš Džordžijos valstybinis universitetas, Atlanta , galėjo pakliūti į pradinį tašką, kai žiūrima į pirminį procesą augaluose. Fotosintezės metu lemiamas taškas apima elektronų judėjimą tam tikru atstumu ląstelėje. Kalbant labai paprastai, būtent šis saulės spindulių sukeltas judėjimas vėliau virsta energija. Hastingsas parodė, kad procesas yra labai efektyvus, nes šie elektronai negali grįžti į savo pradinę padėtį: Jei elektronas grįžta ten, iš kur jis atsirado, saulės energija prarandama. Nors ši galimybė augaluose yra reta, saulės kolektoriuose tai atsitinka gana dažnai, paaiškinant, kodėl jie yra mažiau efektyvūs nei realus dalykas.

Hastingsas mano, kad šis tyrimas greičiausiai skatins saulės elementų technologijas, susijusias su chemijos ar kuro gamyba, tačiau jis greitai pabrėžia, kad šiuo metu tai tik idėja ir vargu ar šis progresas gali įvykti artimiausiu metu. Kalbant apie visiškai dirbtinės saulės elementų technologijos, sukurtos remiantis šiomis idėjomis, gamybą, aš manau, kad ateityje technologijos yra dar labiau nutolusios, greičiausiai per ateinančius penkerius metus net ir prototipui.

Viena problema, tyrinėtojų manymu, esame arti sprendimo, apima antrąjį proceso žingsnį: CO2 pavertimą kuru. Kadangi ši molekulė yra labai stabili ir jai suskaidyti reikia neįtikėtino energijos kiekio, dirbtinė sistema naudoja katalizatorius, kad sumažintų reikalingą energiją ir pagreitintų reakciją. Tačiau šis požiūris kelia savo problemų rinkinį. Per pastaruosius dešimt metų buvo daug bandymų, naudojant katalizatorius iš mangano, titano ir kobalto, tačiau ilgalaikis naudojimas įrodė, kad tai yra problema. Teorija gali atrodyti gera, tačiau jie arba nustoja veikti po kelių valandų, tampa nestabilūs, lėti arba sukelia kitas chemines reakcijas, kurios gali pakenkti ląstelei.

Bet panašu, kad Kanados ir Kinijos mokslininkų bendradarbiavimas pasiekė didžiausią laimėjimą . Jie rado būdą, kaip sujungti nikelį, geležį, kobaltą ir fosforą į neutralų pH, o tai palengvina sistemos valdymą. Kadangi mūsų katalizatorius gali gerai veikti neutralaus pH elektrolite, kuris yra būtinas norint sumažinti CO2 kiekį, galime atlikti CO2 redukcijos elektrolizę sistemoje, kurioje nėra membranos, taigi įtampa gali būti sumažinta, sako Bo Zhangas iš departamento Kinijos Fudano universiteto makromolekulinio mokslo mokslų daktaras. Įspūdingai keičiant elektros energijos ir chemijos energiją 64 proc., Komanda dabar yra didžiausio dirbtinių fotosintezės sistemų efektyvumo rekordininkė.

kaip išjungti netrukdykite

Didžiausia problema, susijusi su šiuo metu, yra mastas

Už jų pastangas komanda pateko į pusfinalį varžybose „NRG COSIA Carbon XPRIZE“, kuriai už mokslą jie galėjo laimėti 20 mln. Tikslas yra sukurti pažangias technologijas, kurios paverstų jėgainių ir pramonės objektų išmetamus CO2 kiekius vertingais produktais, o su patobulintomis dirbtinėmis fotosintezės sistemomis jie turi didelę galimybę.

Kitas iššūkis - didinimas. Didžiausia problema, susijusi su šiuo metu, yra mastas. Kai padidiname mastą, galiausiai prarandame efektyvumą, sako De Luna, kuris taip pat dalyvavo Zhang tyrime. Laimei, tyrėjai neišnaudojo savo patobulinimų sąrašo ir dabar bando efektyvinti katalizatorius naudodami skirtingas kompozicijas ir skirtingas konfigūracijas.

Laimėjimas dviem frontais

Trumpai ir ilguoju laikotarpiu dar yra kur tobulėti, tačiau daugelis mano, kad dirbtinė fotosintezė gali tapti svarbia priemone kaip švaria ir tvaria technologija ateityje.

Tai nepaprastai įdomu, nes laukas juda taip greitai. Kalbant apie komercializavimą, mes esame lūžio taške, sako De Luna, pridurdamas, kad tai, ar jis veiks, priklausys nuo daugelio veiksnių, įskaitant viešąją politiką ir pramonės pasirinkimą priimti atsinaujinančios energijos technologijas.

Tuomet teisingas mokslas yra tik pirmas žingsnis. Po tokių tyrimų kaip Hastingsas ir Zhangas atliks svarbų žingsnį, kad dirbtinė fotosintezė būtų įtraukta į mūsų pasaulinę atsinaujinančios energijos strategiją. Statymai dideli. Jei tai pasiteisins, mes galime laimėti dviem aspektais - gamindami ne tik kurą ir cheminius produktus, bet ir mažindami savo anglies pėdsaką šiame procese.