Фотосинтез: основен механизъм за живот на тази планета, бич на студентите по биология на GCSE и сега потенциален начин за борба с изменението на климата. Учените работят усилено, за да разработят изкуствен метод, който имитира как растенията използват слънчева светлина, за да трансформират CO2 и водата в нещо, което можем да използваме като гориво. Ако работи, това ще бъде печеливш сценарий за нас: не само ще се възползваме от възобновяемата енергия, произведена по този начин, но също така може да се превърне във важен начин за намаляване на нивата на CO2 в атмосферата.
Въпреки това на растенията са били нужни милиарди години, за да се развие фотосинтезата и не винаги е лесна задача да се повтори това, което се случва в природата. В момента основните стъпки в изкуствената фотосинтеза работят, но не много ефективно. Добрата новина е, че изследванията в тази област набират темп и има групи по целия свят, които правят стъпки към усвояване на този интегрален процес.
Двустепенна фотосинтеза
Фотосинтезата не е само улавяне на слънчева светлина. Гущер, който се къпе на топло слънце, може да направи това. Фотосинтезата се е развила в растенията като начин за улавяне и съхраняване на тази енергия (бита за снимка) и превръщането й във въглехидрати (бита за синтез). Растенията използват поредица от протеини и ензими, задвижвани от слънчева светлина, за да освободят електрони, които от своя страна се използват за превръщане на CO2 в сложни въглехидрати. По принцип изкуствената фотосинтеза следва същите стъпки.
Вижте свързаните стълбове за лампи в Лондон се превръщат в точки за зареждане Слънчевата енергия във Великобритания: Как работи слънчевата енергия и какви са нейните предимства?
При естествената фотосинтеза, която е част от естествения въглероден цикъл, имаме светлина, CO2 и вода, които влизат в растението и растението произвежда захар, обяснява Фил Де Луна, кандидат на докторите, работещ в катедрата по електротехника и компютърна техника в университета на Торонто. При изкуствената фотосинтеза използваме неорганични устройства и материали. Действителната част за събиране на слънчева енергия се извършва от слънчеви клетки, а частта за преобразуване на енергия се извършва чрез електрохимични [реакции в присъствието на] катализатори.
Това, което наистина привлича този процес, е способността да се произвежда гориво за дългосрочно съхранение на енергия. Това е много повече от това, което сегашните възобновяеми енергийни източници могат да направят, дори и с нововъзникващите технологии на батериите. Ако слънцето не излиза или ако не е ветровит ден, например, слънчевите панели и вятърните паркове просто спират да произвеждат. За продължително сезонно съхранение и съхранение в сложни горива се нуждаем от по-добро решение, казва Де Луна. Батериите са чудесни за ежедневието, за телефони и дори за автомобили, но никога няма да пуснем [Boeing] 747 с батерия.
Предизвикателства за решаване
Що се отнася до създаването на слънчеви клетки - първата стъпка в процеса на изкуствената фотосинтеза - ние вече разполагаме с технологията: слънчеви енергийни системи. Сегашните фотоволтаични панели, които обикновено са полупроводникови системи, са сравнително скъпи и неефективни в сравнение с природата. Необходима е нова технология; такъв, който губи много по-малко енергия.
Гари Хейстингс и екипът му от Държавен университет в Джорджия, Атланта , може да са се натъкнали на начална точка при разглеждане на първоначалния процес в растенията. При фотосинтезата решаващата точка включва движението на електрони на определено разстояние в клетката. С много прости думи, това движение, причинено от слънчева светлина, по-късно се превръща в енергия. Хастингс показа, че процесът е много ефективен по своята същност, тъй като тези електрони не могат да се върнат в първоначалното си положение: Ако електронът се върне там, откъдето е дошъл, слънчевата енергия се губи. Въпреки че тази възможност е рядка при растенията, тя се случва доста често при слънчеви панели, обяснявайки защо те са по-малко ефективни от реалните.
Хейстингс вярва, че това изследване вероятно ще подобри технологиите на слънчевите клетки, свързани с производството на химикали или горива, но той бърза да посочи, че това е просто идея в момента и този напредък е малко вероятно да се случи скоро. По отношение на производството на напълно изкуствена технология на слънчеви клетки, която е проектирана въз основа на тези идеи, аз вярвам, че технологията е по-далеч в бъдеще, вероятно не в следващите пет години, дори за прототип.
Един проблем, който изследователите смятат, че сме близо до решаването, включва втората стъпка в процеса: превръщането на CO2 в гориво. Тъй като тази молекула е много стабилна и отнема невероятно количество енергия, за да я разруши, изкуствената система използва катализатори, за да намали необходимата енергия и да помогне за ускоряване на реакцията. Този подход обаче носи своя набор от проблеми. През последните десет години имаше много опити с катализатори, направени от манган, титан и кобалт, но продължителната употреба се оказа проблем. Теорията може да изглежда добра, но те или спират да работят след няколко часа, стават нестабилни, забавят се или предизвикват други химични реакции, които могат да увредят клетката.
Но сътрудничество между канадски и китайски изследователи изглежда е ударило джакпота . Те намериха начин да комбинират никел, желязо, кобалт и фосфор, за да работят при неутрално рН, което значително улеснява работата на системата. Тъй като нашият катализатор може да работи добре в неутрален рН електролит, който е необходим за намаляване на CO2, ние можем да стартираме електролизата на намаляване на CO2 в [a] безмембранна система и по този начин напрежението може да бъде намалено, казва Бо Джанг от отдела по макромолекулна наука в университета Фудан, Китай. С впечатляващите 64% преобразуване на електрическа в химическа мощност, екипът вече е притежател на рекорди с най-висока ефективност за системи за изкуствена фотосинтеза.
как да сортирам по размер
Най-големият проблем с това, което имаме в момента, е мащабът
За своите усилия екипът стигна до полуфиналите в NRG COSIA Carbon XPRIZE, което може да им спечели 20 милиона долара за техните изследвания. Целта е да се разработят пробивни технологии, които ще превърнат емисиите на CO2 от електроцентрали и промишлени съоръжения в ценни продукти и с подобрените си системи за изкуствена фотосинтеза те имат добри шансове.
Следващото предизвикателство е мащабирането. Най-големият проблем с това, което имаме в момента, е мащабът. Когато се мащабираме, в крайна сметка губим ефективност, казва Де Луна, който също участва в проучването на Джанг. За щастие изследователите не са изчерпали списъка си с подобрения и сега се опитват да направят катализаторите по-ефективни чрез различни състави и различни конфигурации.
Победа на два фронта
Със сигурност все още има място за подобрения както в краткосрочен, така и в дългосрочен план, но мнозина смятат, че изкуствената фотосинтеза има потенциала да се превърне във важен инструмент като чиста и устойчива технология за бъдещето.
Невероятно вълнуващо е, защото полето се движи толкова бързо. Що се отнася до комерсиализацията, ние сме в преломната точка, казва Де Луна, добавяйки, че дали тя работи, ще зависи от много фактори, които включват публична политика и приемането от индустрията на технология за възобновяема енергия.
Постигането на науката правилно е наистина само първата стъпка. Вследствие на изследванията на подобни на Хейстингс и Джанг ще дойде решаващият ход за абсорбиране на изкуствената фотосинтеза в нашата глобална стратегия за възобновяемата енергия. Залогът е голям. Ако се измъкне, ние ще спечелим на два фронта - не само да произвеждаме горива и химически продукти, но и да намаляваме въглеродния си отпечатък в процеса.
