Fotosintēze: pamatmehānisms dzīvībai uz šīs planētas, GCSE bioloģijas studentu posts un tagad potenciāls veids, kā cīnīties ar klimata pārmaiņām. Zinātnieki smagi strādā, lai izstrādātu mākslīgu metodi, kas atdarina to, kā augi izmanto saules gaismu, lai pārveidotu CO2 un ūdeni par kaut ko, ko varam izmantot kā degvielu. Ja tas darbosies, mums tas būs abpusēji izdevīgs scenārijs: mēs ne tikai gūsim labumu no šādā veidā ražotas atjaunojamās enerģijas, bet arī tas varētu kļūt par svarīgu veidu, kā samazināt CO2 līmeni atmosfērā.
Tomēr augiem bija nepieciešami miljardiem gadu, lai attīstītu fotosintēzi, un ne vienmēr ir viegls uzdevums atkārtot to, kas notiek dabā. Šobrīd mākslīgās fotosintēzes pamatsoļi darbojas, taču ne pārāk efektīvi. Labā ziņa ir tā, ka pētniecība šajā jomā uzņem tempu, un visā pasaulē ir grupas, kas veic pasākumus, lai izmantotu šo neatņemamo procesu.
Divpakāpju fotosintēze
Fotosintēze nav tikai saules gaismas uztveršana. To spēj ķirzaka, kas peldas siltā saulē. Fotosintēze augos attīstījās kā veids, kā uztvert un uzglabāt šo enerģiju ("foto" bits) un pārvērst to ogļhidrātos ("sintēzes" bits). Augi izmanto virkni olbaltumvielu un enzīmu, ko darbina saules gaisma, lai atbrīvotu elektronus, kurus savukārt izmanto, lai pārvērstu CO2 sarežģītos ogļhidrātos. Būtībā mākslīgā fotosintēze notiek pēc tām pašām darbībām.
"Dabiskajā fotosintēzē, kas ir daļa no dabiskā oglekļa cikla, augā nonāk gaisma, CO2 un ūdens, un augs ražo cukuru," skaidro Fils De Luna, doktora grāda kandidāts, kas strādā Elektrotehnikas un datortehnikas katedrā. Toronto Universitāte. “Mākslīgajā fotosintēzē mēs izmantojam neorganiskas ierīces un materiālus. Faktisko saules enerģijas ieguves daļu veic saules baterijas, bet enerģijas pārveidošanas daļu veic elektroķīmiskās [reakcijas] katalizatoru klātbūtnē.
Tas, kas patiešām piesaista šo procesu, ir spēja ražot degvielu ilgstošai enerģijas uzglabāšanai. Tas ir daudz vairāk nekā pašreizējie atjaunojamie enerģijas avoti, pat ar jauno akumulatoru tehnoloģiju. Ja saule nav ārā vai nav vējaina diena, piemēram, saules paneļi un vēja parki vienkārši pārstāj ražot. "Ilgstošai sezonas uzglabāšanai un uzglabāšanai sarežģītos kurināmos mums ir nepieciešams labāks risinājums," saka De Luna. "Akumulatori ir lieliski piemēroti ikdienas lietošanai, tālruņiem un pat automašīnām, taču mēs nekad nedarbināsim [Boeing] 747 ar akumulatoru."
Izaicinājumi, kas jāatrisina
Runājot par saules bateriju izveidi – pirmo soli mākslīgās fotosintēzes procesā – mums jau ir ieviesta tehnoloģija: saules enerģijas sistēmas. Tomēr pašreizējie fotoelektriskie paneļi, kas parasti ir uz pusvadītājiem balstītas sistēmas, ir salīdzinoši dārgi un neefektīvi salīdzinājumā ar dabu. Nepieciešama jauna tehnoloģija; tāds, kas tērē daudz mazāk enerģijas.
Gerijs Heistings un viņa komanda no Džordžijas štata universitātes Atlantā, iespējams, paklupa uz sākumpunktu, aplūkojot sākotnējo procesu augos. Fotosintēzē izšķirošais punkts ir elektronu pārvietošana noteiktā attālumā šūnā. Ļoti vienkārši izsakoties, šī saules gaismas izraisītā kustība vēlāk tiek pārvērsta enerģijā. Hastings parādīja, ka process dabā ir ļoti efektīvs, jo šie elektroni nevar atgriezties sākotnējā stāvoklī: "Ja elektrons atgriežas tur, no kurienes tas nāca, tad saules enerģija tiek zaudēta." Lai gan šī iespēja augos ir reti sastopama, tā diezgan bieži notiek saules paneļos, izskaidrojot, kāpēc tie ir mazāk efektīvi nekā reāli.
Hastings uzskata, ka "šie pētījumi, visticamāk, veicinās saules bateriju tehnoloģijas, kas saistītas ar ķīmisko vielu vai degvielas ražošanu", taču viņš ātri norāda, ka pašlaik tā ir tikai ideja, un visticamāk, ka šī attīstība drīzumā nenotiks. "Attiecībā uz pilnībā mākslīgu saules bateriju tehnoloģiju, kas ir izstrādāta, pamatojoties uz šīm idejām, es uzskatu, ka nākotnē tehnoloģija būs tālāka, visticamāk, ne tuvāko piecu gadu laikā pat prototipam."
Viena problēma, ko pētnieki uzskata, ka esam tuvu risinājumam, ietver procesa otro posmu: CO2 pārvēršanu degvielā. Tā kā šī molekula ir ļoti stabila un tās sadalīšanai nepieciešams neticami daudz enerģijas, mākslīgā sistēma izmanto katalizatorus, lai samazinātu nepieciešamo enerģiju un palīdzētu paātrināt reakciju. Tomēr šī pieeja rada savas problēmas. Pēdējo desmit gadu laikā ir bijuši daudzi mēģinājumi ar katalizatoriem, kas izgatavoti no mangāna, titāna un kobalta, taču ilgstoša lietošana ir izrādījusies problēma. Teorija var šķist laba, taču tās vai nu pārstāj darboties pēc dažām stundām, kļūst nestabilas, lēnas vai izraisa citas ķīmiskas reakcijas, kas var sabojāt šūnu.
Taču šķiet, ka Kanādas un Ķīnas pētnieku sadarbība ir skārusi džekpotu. Viņi atrada veidu, kā apvienot niķeli, dzelzi, kobaltu un fosforu, lai strādātu neitrālā pH līmenī, kas ievērojami atvieglo sistēmas darbību. "Tā kā mūsu katalizators var labi darboties neitrālā pH elektrolītā, kas ir nepieciešams CO2 samazināšanai, mēs varam veikt CO2 samazināšanas elektrolīzi [a] bezmembrānas sistēmā, un līdz ar to var samazināt spriegumu," saka Bo Zhang no no. Makromolekulārās zinātnes nodaļa Fudanas Universitātē, Ķīnā. Ar iespaidīgo 64% elektriskās uz ķīmisko jaudas pārveidošanu komanda tagad ir rekordiste ar visaugstāko efektivitāti mākslīgās fotosintēzes sistēmās.
“Lielākā problēma ar to, kas mums šobrīd ir, ir mērogs”
Par saviem centieniem komanda iekļuva NRG COSIA Carbon XPRIZE pusfinālā, kas viņiem varētu laimēt 20 miljonus USD par pētījumu. Mērķis ir "izstrādāt revolucionāras tehnoloģijas, kas pārvērsīs spēkstaciju un rūpniecisko iekārtu CO2 emisijas vērtīgos produktos", un ar uzlabotajām mākslīgās fotosintēzes sistēmām tām ir labas izredzes.
Nākamais izaicinājums ir palielināt. “Lielākā problēma, kas mums šobrīd ir, ir mērogs. Palielinot mērogu, mēs zaudējam efektivitāti," saka De Luna, kurš arī bija iesaistīts Džana pētījumā. Par laimi pētnieki nav izsmēluši savu uzlabojumu sarakstu un tagad cenšas padarīt katalizatorus efektīvākus, izmantojot dažādus sastāvus un dažādas konfigurācijas.
Uzvara divās frontēs
Noteikti vēl ir iespējami uzlabojumi gan īstermiņā, gan ilgtermiņā, taču daudzi uzskata, ka mākslīgā fotosintēze var kļūt par svarīgu instrumentu kā tīru un ilgtspējīgu tehnoloģiju nākotnei.
"Tas ir neticami aizraujoši, jo lauks kustas tik ātri. Komercializācijas ziņā mēs esam lūzuma punktā," saka De Luna, piebilstot, ka tas, vai tas darbosies, "būs atkarīgs no daudziem faktoriem, tostarp sabiedriskās kārtības un nozares pieņemtā atjaunojamās enerģijas tehnoloģiju pieņemšanas. ”.
Pareizas zinātnes iegūšana patiesībā ir tikai pirmais solis. Pēc Hastingsa un Džana veiktajiem pētījumiem, būs izšķirošs solis, lai mākslīgo fotosintēzi iekļautu mūsu globālajā atjaunojamās enerģijas stratēģijā. Likmes ir augstas. Ja tas izdosies, mēs uzvarēsim divās frontēs – ne tikai ražojot degvielu un ķīmiskos produktus, bet arī samazinot oglekļa pēdas nospiedumu šajā procesā.