Fotosinteza: temeljni mehanizem za življenje na tem planetu, nadloga študentov biologije GCSE in zdaj potencialni način boja proti podnebnim spremembam. Znanstveniki si močno prizadevajo razviti umetno metodo, ki posnema, kako rastline s pomočjo sončne svetlobe pretvarjajo CO2 in vodo v nekaj, kar lahko uporabimo kot gorivo. Če bo delovalo, bo za nas ugoden scenarij: ne samo, da bomo izkoristili obnovljivo energijo, proizvedeno na ta način, ampak bi lahko postal tudi pomemben način za zmanjšanje ravni CO2 v ozračju.
Vendar pa so rastline porabile milijarde let, da so razvile fotosintezo, in ni vedno lahka naloga ponoviti, kaj se dogaja v naravi. Trenutno osnovni koraki pri umetni fotosintezi delujejo, vendar ne zelo učinkovito. Dobra novica je, da raziskave na tem področju pospešujejo in skupine po vsem svetu delajo korake k izkoriščanju tega celostnega procesa.
Dvostopenjska fotosinteza
Pri fotosintezi ne gre le za zajemanje sončne svetlobe. Kuščar, ki se kopa na toplem soncu, to zmore. Fotosinteza se je v rastlinah razvila kot način, kako zajeti in shraniti to energijo (bit fotografije) in jo pretvoriti v ogljikove hidrate (del sinteze). Rastline uporabljajo vrsto beljakovin in encimov, ki jih poganja sončna svetloba, da sproščajo elektrone, ki se nato uporabljajo za pretvorbo CO2 v kompleksne ogljikove hidrate. V bistvu umetna fotosinteza sledi istim korakom.
Glej sorodne stebre v Londonu, ki se spreminjajo v polnilna mesta. Sončna energija v Veliki Britaniji: Kako deluje sončna energija in katere so njene prednosti
Pri naravni fotosintezi, ki je del naravnega ogljikovega cikla, v rastlino vstopamo svetloba, CO2 in voda, rastlina pa proizvaja sladkor, pojasnjuje Phil De Luna, doktorat, zaposlen na Oddelku za elektrotehniko in računalništvo na univerzi iz Toronta. Pri umetni fotosintezi uporabljamo anorganske naprave in materiale. Dejanski del za pridobivanje sonca opravijo sončne celice, del za pretvorbo energije pa elektrokemične [reakcije v prisotnosti] katalizatorjev.
Pri tem postopku je resnično privlačna sposobnost proizvodnje goriva za dolgoročno shranjevanje energije. To je veliko več od tega, kar lahko storijo sedanji obnovljivi viri energije, tudi z novo tehnologijo akumulatorjev. Če sonca na primer ni, ali če ni vetroven dan, na primer sončne celice in vetrne elektrarne preprosto prenehajo proizvajati. Za dolgotrajno sezonsko skladiščenje in skladiščenje v kompleksnih gorivih potrebujemo boljšo rešitev, pravi De Luna. Baterije so odlične za vsak dan, za telefone in celo za avtomobile, vendar nikoli ne bomo poganjali [Boeing] 747 z baterijo.
Izzivi, ki jih je treba rešiti
Ko gre za ustvarjanje sončnih celic - prvi korak v procesu umetne fotosinteze -, že imamo vzpostavljeno tehnologijo: sončni sistemi. Trenutni fotonapetostni paneli, ki so običajno polprevodniški sistemi, so v primerjavi z naravo razmeroma dragi in neučinkoviti. Potrebna je nova tehnologija; tisti, ki zapravi veliko manj energije.
Gary Hastings in njegova ekipa iz Georgia State University, Atlanta , je morda naletel na izhodišče pri pogledu na prvotni postopek v rastlinah. Pri fotosintezi ključna točka vključuje premikanje elektronov na določeno razdaljo v celici. Povedano zelo preprosto, to gibanje, ki ga povzroča sončna svetloba, se kasneje pretvori v energijo. Hastings je pokazal, da je postopek v naravi zelo učinkovit, ker se ti elektroni ne morejo vrniti v prvotni položaj: če se elektron vrne nazaj, od koder je prišel, se sončna energija izgubi. Čeprav je ta možnost pri rastlinah redka, se pri sončnih kolektorjih zgodi precej pogosto in pojasni, zakaj so manj učinkovite kot prave.
Hastings verjame, da bodo te raziskave verjetno pospešile tehnologije sončnih celic, povezane s proizvodnjo kemikalij ali goriv, vendar hitro poudarja, da je to trenutno le ideja in se ta napredek verjetno ne bo zgodil kmalu. Kar zadeva izdelavo popolnoma umetne tehnologije sončnih celic, ki je zasnovana na podlagi teh idej, menim, da je tehnologija v prihodnosti še bolj oddaljena, verjetno niti v naslednjih petih letih niti za prototip.
Raziskovalci verjamejo, da smo blizu rešitve, ki vključuje drugi korak v procesu: pretvorbo CO2 v gorivo. Ker je ta molekula zelo stabilna in za njeno prekinitev potrebuje neverjetno veliko energije, umetni sistem s katalizatorji zniža potrebno energijo in pomaga pospešiti reakcijo. Vendar ta pristop prinaša svoje probleme. V zadnjih desetih letih je bilo veliko poskusov s katalizatorji iz mangana, titana in kobalta, vendar se je dolgotrajna uporaba izkazala za težavo. Teorija se morda zdi dobra, vendar po nekaj urah prenehajo delovati, postanejo nestabilne, počasne ali sprožijo druge kemične reakcije, ki lahko poškodujejo celico.
Ampak Zdi se, da je sodelovanje kanadskih in kitajskih raziskovalcev doseglo jackpot . Našli so način za kombiniranje niklja, železa, kobalta in fosforja za delovanje v nevtralnem pH, kar znatno olajša delovanje sistema. Ker lahko naš katalizator dobro deluje v nevtralnem pH-elektrolitu, ki je potreben za zmanjšanje CO2, lahko v sistemu brez membran [a] sprožimo elektrolizo zmanjšanja CO2 in s tem napetost lahko zmanjšamo, pravi Bo Zhang iz oddelka makromolekularne znanosti na univerzi Fudan na Kitajskem. Z impresivno 64-odstotno pretvorbo električne in kemične moči je ekipa zdaj rekorderja z največjo učinkovitostjo za sisteme umetne fotosinteze.
kako spremenim svoje uporabniško ime za reddit
Največja težava tega, kar imamo zdaj, je obseg
Za svoja prizadevanja se je ekipa uvrstila v polfinale v NRG COSIA Carbon XPRIZE, ki bi jim lahko prislužila 20 milijonov dolarjev za svoje raziskave. Cilj je razviti prodorne tehnologije, ki bodo emisije CO2 iz elektrarn in industrijskih obratov pretvorile v dragocene izdelke in z njihovimi izboljšanimi umetnimi sistemi fotosinteze imajo dobre možnosti.
Naslednji izziv je povečanje. Največja težava tega, kar imamo zdaj, je obseg. Ko se povečamo, na koncu izgubimo učinkovitost, pravi De Luna, ki je bil prav tako vključen v Zhangovo študijo. Na srečo raziskovalci niso izčrpali seznama izboljšav in zdaj skušajo z različnimi sestavami in različnimi konfiguracijami narediti katalizatorje učinkovitejše.
Zmaga na dveh frontah
Zagotovo je še mogoče izboljšati tako kratkoročno kot dolgoročno, vendar mnogi menijo, da bi umetna fotosinteza lahko postala pomembno orodje kot čista in trajnostna tehnologija za prihodnost.
Neverjetno razburljivo je, ker se polje tako hitro premika. Kar zadeva komercializacijo, smo na prelomni točki, pravi De Luna in dodaja, da bo to, ali bo delovalo, odvisno od številnih dejavnikov, vključno z javno politiko in sprejetjem tehnologije s področja obnovljivih virov energije v industriji.
Uresničitev znanosti je v resnici šele prvi korak. Po raziskavah, kot sta Hastings in Zhang, bo prišla ključna poteza za absorpcijo umetne fotosinteze v našo globalno strategijo o obnovljivih virih energije. Vložek je velik. Če se izvleče, bomo zmagali na dveh frontah - ne samo pri proizvodnji goriv in kemičnih izdelkov, temveč tudi pri zmanjševanju ogljičnega odtisa.
