Fotosyntéza: základní mechanismus pro život na této planetě, metla studentů biologie s maturitou a nyní potenciální způsob boje proti změně klimatu. Vědci tvrdě pracují na vývoji umělé metody, která napodobuje, jak rostliny používají sluneční světlo k přeměně CO2 a vody na něco, co můžeme použít jako palivo. Pokud to bude fungovat, bude to pro nás oboustranně výhodný scénář: nejen že budeme těžit z takto vyrobené obnovitelné energie, ale také by se to mohlo stát důležitým způsobem, jak snížit hladinu CO2 v atmosféře.
Rostlinám však trvalo miliardy let, než vyvinuly fotosyntézu, a to není vždy snadný úkol replikovat, co se děje v přírodě. V tuto chvíli fungují základní kroky umělé fotosyntézy, ale ne příliš efektivně. Dobrou zprávou je, že výzkum v této oblasti zrychluje a existují skupiny po celém světě, které podnikají kroky k využití tohoto integrálního procesu.
Dvoukroková fotosyntéza
Fotosyntéza není jen o zachycení slunečního světla. Ještěrka koupající se na horkém slunci to dokáže. Fotosyntéza se vyvinula v rostlinách jako způsob, jak tuto energii (foto bit) zachytit a uložit a převést ji na sacharidy (bit syntézy). Rostliny používají k uvolnění elektronů řadu proteinů a enzymů poháněných slunečním zářením, které se zase používají k přeměně CO2 na komplexní sacharidy. Umělá fotosyntéza probíhá v zásadě stejnými kroky.
Podívejte se na související příspěvky z lamp v Londýně se mění na nabíjecí body Solární energie ve Velké Británii: Jak funguje solární energie a jaké jsou její výhody?
Při přirozené fotosyntéze, která je součástí přirozeného uhlíkového cyklu, do rostliny vstupuje světlo, CO2 a voda a rostlina vyrábí cukr, vysvětluje Phil De Luna, kandidát PhD, který pracuje na katedře elektrotechniky a výpočetní techniky na univerzitě z Toronta. Při umělé fotosyntéze používáme anorganické přístroje a materiály. Skutečná část získávající sluneční energii se provádí solárními články a část přeměny energie se provádí elektrochemickými [reakcemi v přítomnosti] katalyzátorů.
To, co se tímto procesem opravdu líbí, je schopnost vyrábět palivo pro dlouhodobé skladování energie. To je mnohem víc než to, co dokážou současné obnovitelné zdroje energie, dokonce i s nově vznikající technologií baterií. Pokud například není venku slunce nebo není větrný den, solární panely a větrné farmy jednoduše přestanou vyrábět. Pro dlouhodobé sezónní skladování a skladování složitých paliv potřebujeme lepší řešení, říká De Luna. Baterie jsou skvělé pro každý den, pro telefony a dokonce i pro automobily, ale nikdy nebudeme provozovat [Boeing] 747 s baterií.
Výzvy k řešení
Pokud jde o vytváření solárních článků - první krok v procesu umělé fotosyntézy - již máme zavedenou technologii: solární systémy. Současné fotovoltaické panely, které jsou obvykle systémy na bázi polovodičů, jsou však ve srovnání s přírodou relativně drahé a neúčinné. Je zapotřebí nová technologie; ten, který plýtvá mnohem méně energie.
Gary Hastings a jeho tým z Georgia State University, Atlanta , možná narazili na výchozí bod při pohledu na původní proces v rostlinách. Ve fotosyntéze je klíčovým bodem pohyb elektronů na určitou vzdálenost v buňce. Zjednodušeně řečeno, právě tento pohyb způsobený slunečním světlem se později přemění na energii. Hastings ukázal, že tento proces je v přírodě velmi účinný, protože tyto elektrony se nemohou vrátit do své původní polohy: Pokud se elektron vrátí zpět, odkud pochází, dojde ke ztrátě sluneční energie. I když je tato možnost u rostlin vzácná, u solárních panelů se to stává poměrně často, což vysvětluje, proč jsou méně účinné než skutečné věci.
Hastings věří, že tento výzkum pravděpodobně posune technologie solárních článků související s výrobou chemikálií nebo paliv, ale rychle poukazuje na to, že v tuto chvíli je to jen nápad, a je nepravděpodobné, že by se tak brzy stalo. Pokud jde o výrobu plně umělé technologie solárních článků, která je navržena na základě těchto myšlenek, domnívám se, že technologie je v budoucnu dále, pravděpodobně ne v příštích pěti letech ani u prototypu.
Jeden problém, který vědci věří, že jsme blízko řešení, zahrnuje druhý krok procesu: přeměnu CO2 na palivo. Jelikož je tato molekula velmi stabilní a její rozbití vyžaduje neuvěřitelné množství energie, používá umělý systém katalyzátory ke snížení potřebné energie a urychlení reakce. Tento přístup však přináší vlastní soubor problémů. Za posledních deset let došlo k mnoha pokusům s katalyzátory vyrobenými z manganu, titanu a kobaltu, ale dlouhodobé používání se ukázalo jako problém. Tato teorie se může zdát dobrá, ale buď přestanou fungovat po několika hodinách, stanou se nestabilní, zpomalí se nebo spustí jiné chemické reakce, které mohou buňku poškodit.
Ale zdá se, že spolupráce mezi kanadskými a čínskými vědci zasáhla jackpot . Našli způsob, jak kombinovat nikl, železo, kobalt a fosfor pro práci v neutrálním pH, což značně usnadňuje provoz systému. Protože náš katalyzátor může dobře fungovat v elektrolytu s neutrálním pH, který je nezbytný pro redukci CO2, můžeme spustit elektrolýzu redukce CO2 v [bez] membránovém systému, a proto lze snížit napětí, říká Bo Zhang z oddělení makromolekulárních věd na Fudan University v Číně. Díky působivé 64% přeměně elektrické energie na chemickou je tým nyní držitelem rekordů s nejvyšší účinností pro systémy umělé fotosyntézy.
facebookové pokročilé vyhledávání 2.2 beta stránka
Největší problém s tím, co teď máme, je měřítko
Za jejich úsilí se tým dostal do semifinále NRG COSIA Carbon XPRIZE, které jim mohlo za jejich výzkum získat 20 milionů dolarů. Cílem je vyvinout průlomové technologie, které přeměňují emise CO2 z elektráren a průmyslových zařízení na cenné produkty a díky vylepšeným systémům umělé fotosyntézy mají dobrou šanci.
Další výzvou je škálování. Největší problém s tím, co právě teď máme, je měřítko. Když se zvýšíme, nakonec ztratíme účinnost, říká De Luna, který se také podílel na Zhangově studii. Naštěstí vědci nevyčerpali svůj seznam vylepšení a nyní se snaží zefektivnit katalyzátory pomocí různých složení a různých konfigurací.
Vítězství na dvou frontách
Určitě stále existuje prostor pro zlepšení v krátkodobém i dlouhodobém horizontu, ale mnozí se domnívají, že umělecká fotosyntéza má potenciál stát se důležitým nástrojem čisté a udržitelné technologie pro budoucnost.
Je to neuvěřitelně vzrušující, protože pole se pohybuje tak rychle. Pokud jde o komercializaci, jsme v bodě zlomu, říká De Luna a dodává, že to, zda to bude fungovat, bude záviset na mnoha faktorech, mezi něž patří veřejná politika a přijetí průmyslem k přijetí technologie obnovitelné energie.
Správná věda je tedy opravdu jen první krok. V návaznosti na výzkumy jako Hastings a Zhang přijde zásadní krok k absorpci umělé fotosyntézy do naší globální strategie týkající se obnovitelné energie. Sázky jsou vysoké. Pokud se to podaří, můžeme zvítězit na dvou frontách - nejen při výrobě paliv a chemických produktů, ale také při snižování naší uhlíkové stopy v tomto procesu.
