Фотосинтез: фундаментальный механизм жизни на этой планете, бедствие для студентов-биологов GCSE, а теперь и потенциальный способ борьбы с изменением климата. Ученые упорно работают над созданием искусственного метода, имитирующего использование солнечными лучами растений для преобразования CO2 и воды во что-то, что мы можем использовать в качестве топлива. Если это сработает, это будет беспроигрышный сценарий для нас: мы не только получим выгоду от возобновляемой энергии, производимой таким образом, но также это может стать важным способом снижения уровня CO2 в атмосфере.
Однако растениям потребовались миллиарды лет, чтобы развить фотосинтез, и не всегда легко воспроизвести то, что происходит в природе. На данный момент основные этапы искусственного фотосинтеза работают, но не очень эффективно. Хорошая новость заключается в том, что исследования в этой области набирают обороты, и по всему миру есть группы, предпринимающие шаги к использованию этого целостного процесса.
Двухэтапный фотосинтез
Фотосинтез - это не только улавливание солнечного света. Ящерица, купающаяся на теплом солнце, может это сделать. Фотосинтез развился у растений как способ улавливания и хранения этой энергии (бит фотографии) и преобразования ее в углеводы (бит синтеза). Растения используют ряд белков и ферментов, питаемых солнечным светом, для высвобождения электронов, которые, в свою очередь, используются для преобразования CO2 в сложные углеводы. По сути, искусственный фотосинтез следует тем же этапам.
См. Соответствующую статью Фонарные столбы в Лондоне превращаются в пункты зарядки Солнечная энергия в Великобритании: как работает солнечная энергия и в чем ее преимущества?
В естественном фотосинтезе, который является частью естественного углеродного цикла, свет, CO2 и вода попадают в растения, а растение производит сахар, - объясняет Фил Де Луна, кандидат наук, работающий на факультете электротехники и вычислительной техники в университете. Торонто. В искусственном фотосинтезе мы используем неорганические устройства и материалы. Фактическая часть сбора солнечной энергии осуществляется солнечными батареями, а часть преобразования энергии выполняется электрохимическими [реакциями в присутствии] катализаторов.
Что действительно привлекает в этом процессе, так это возможность производить топливо для длительного хранения энергии. Это намного больше, чем то, на что способны нынешние возобновляемые источники энергии, даже с появлением новых аккумуляторных технологий. Если солнце не светит или, например, не ветреный день, солнечные батареи и ветряные электростанции просто перестают производить. «Для длительного сезонного хранения и хранения сложных видов топлива нам нужно лучшее решение», - говорит Де Луна. Аккумуляторы отлично подходят для повседневного использования, для телефонов и даже для автомобилей, но мы никогда не собираемся запускать [Boeing] 747 с аккумулятором.
Проблемы, которые нужно решить
Когда дело доходит до создания солнечных батарей - первого шага в процессе искусственного фотосинтеза - у нас уже есть технология: системы солнечной энергии. Однако современные фотоэлектрические панели, которые обычно представляют собой системы на основе полупроводников, относительно дороги и неэффективны по сравнению с природой. Нужна новая технология; тот, который тратит гораздо меньше энергии.
Гэри Гастингс и его команда из Государственный университет Джорджии, Атланта , возможно, наткнулись на отправную точку, глядя на исходный процесс в растениях. В фотосинтезе решающим моментом является перемещение электронов на определенное расстояние в клетке. Проще говоря, это движение, вызванное солнечным светом, которое позже преобразуется в энергию. Гастингс показал, что этот процесс очень эффективен по своей природе, потому что эти электроны не могут вернуться в свое исходное положение: если электрон возвращается туда, откуда пришел, солнечная энергия теряется. Хотя такая возможность редко встречается у растений, она довольно часто случается с солнечными панелями, что объясняет, почему они менее эффективны, чем настоящие.
Гастингс считает, что это исследование, вероятно, продвинет вперед технологии солнечных батарей, связанные с химическим производством или производством топлива, но он сразу же отмечает, что в настоящее время это всего лишь идея, и вряд ли это произойдет в ближайшее время. Что касается производства полностью искусственной технологии солнечных элементов, разработанной на основе этих идей, я считаю, что технология еще более далека от будущего, вероятно, не в ближайшие пять лет даже для прототипа.
Исследователи считают, что одна проблема, к решению которой мы близки, связана со вторым этапом процесса: преобразованием CO2 в топливо. Поскольку эта молекула очень стабильна и для ее разрушения требуется невероятное количество энергии, искусственная система использует катализаторы, чтобы снизить требуемую энергию и ускорить реакцию. Однако такой подход порождает ряд проблем. За последние десять лет было много попыток с катализаторами, сделанными из марганца, титана и кобальта, но длительное использование оказалось проблемой. Теория может показаться хорошей, но они либо перестают работать через несколько часов, становятся нестабильными, медленными, либо запускают другие химические реакции, которые могут повредить клетку.
Но сотрудничество канадских и китайских исследователей, похоже, сорвало джекпот . Они нашли способ объединить никель, железо, кобальт и фосфор для работы при нейтральном pH, что значительно упрощает работу системы. Поскольку наш катализатор может хорошо работать в электролите с нейтральным pH, который необходим для снижения выбросов CO2, мы можем проводить электролиз восстановления CO2 в [a] безмембранной системе, и, следовательно, напряжение может быть уменьшено, - говорит Бо Чжан из Департамента. Макромолекулярной науки в Университете Фудань, Китай. Благодаря впечатляющему преобразованию электрической энергии в химическую энергию на 64%, команда теперь является рекордсменом по самой высокой эффективности систем искусственного фотосинтеза.
Windows 10 не откроет меню "Пуск"
Самая большая проблема с тем, что у нас есть сейчас, - это масштаб
За свои усилия команда вышла в полуфинал конкурса NRG COSIA Carbon XPRIZE, который мог выиграть 20 миллионов долларов за их исследования. Цель состоит в том, чтобы разработать прорывные технологии, которые превратят выбросы CO2 от электростанций и промышленных предприятий в ценные продукты, а с их улучшенными системами искусственного фотосинтеза у них есть хорошие шансы.
Следующая задача - увеличение масштабов. Самая большая проблема с тем, что у нас есть сейчас, - это масштаб. «Когда мы увеличиваем масштабы, мы в конечном итоге теряем эффективность», - говорит Де Луна, который также принимал участие в исследовании Чжана. К счастью, исследователи не исчерпали свой список улучшений и теперь пытаются сделать катализаторы более эффективными с помощью различных составов и конфигураций.
Победа на двух фронтах
Конечно, есть еще возможности для улучшений как в краткосрочной, так и в долгосрочной перспективе, но многие считают, что искусственный фотосинтез может стать важным инструментом в качестве чистой и устойчивой технологии в будущем.
Это невероятно интересно, потому что поле движется так быстро. «Что касается коммерциализации, мы находимся на переломном этапе», - говорит Де Луна, добавляя, что то, сработает ли это, будет зависеть от множества факторов, включая государственную политику и принятие в отрасли технологий использования возобновляемых источников энергии.
Итак, правильное понимание науки - это только первый шаг. После исследований, проведенных Гастингсом и Чжаном, будет сделан решающий шаг по внедрению искусственного фотосинтеза в нашу глобальную стратегию в отношении возобновляемых источников энергии. Ставки высоки. Если это удастся, мы выиграем на двух фронтах - не только в производстве топлива и химической продукции, но и в сокращении выбросов углекислого газа.
