Fotosüntees: põhimehhanism eluks sellel planeedil, GCSE bioloogiaüliõpilaste nuhtlus ja nüüd potentsiaalne viis kliimamuutustega võitlemiseks. Teadlased töötavad kõvasti, et töötada välja kunstlik meetod, mis jäljendab seda, kuidas taimed kasutavad päikesevalgust CO2 ja vee muundamiseks millekski, mida saaksime kütusena kasutada. Kui see toimib, on see meile kasulik stsenaarium: me mitte ainult ei saa kasu sel viisil toodetud taastuvenergiast, vaid sellest võib saada ka oluline viis CO2 taseme vähendamiseks atmosfääris.
Taimedel kulus fotosünteesi arendamiseks aga miljardeid aastaid ja looduses toimuva kordamine pole alati lihtne ülesanne. Hetkel kunstliku fotosünteesi põhietapid toimivad, kuid mitte eriti tõhusalt. Hea uudis on see, et selle valdkonna teadusuuringud on hoogustumas ja üle maailma on rühmitusi, mis astuvad samme selle tervikliku protsessi rakendamiseks.
Kaheastmeline fotosüntees
Fotosüntees ei seisne ainult päikesevalguse püüdmises. Seda saab teha sooja päikese käes suplev sisalik. Fotosüntees arenes taimedes välja selle energia püüdmiseks ja salvestamiseks ("foto" bitt) ja selle muundamiseks süsivesikuteks ("sünteesi" bitt). Taimed kasutavad mitmeid valke ja ensüüme, mida toidab päikesevalgus, et vabastada elektrone, mida omakorda kasutatakse CO2 muundamiseks keerulisteks süsivesikuteks. Põhimõtteliselt järgib kunstlik fotosüntees samu samme.
"Loodusliku fotosünteesi käigus, mis on osa looduslikust süsinikuringest, siseneb valgus, CO2 ja vesi taimesse ning taim toodab suhkrut," selgitab Phil De Luna, doktorikandidaat, kes töötab ülikooli elektri- ja arvutitehnika osakonnas. Toronto Ülikool. “Kunstlikus fotosünteesis kasutame anorgaanilisi seadmeid ja materjale. Tegeliku päikeseenergia kogumise osa teevad päikesepatareid ja energia muundamise osa teevad elektrokeemilised [reaktsioonid] katalüsaatorite abil.
Mis selle protsessi juures tõeliselt köidab, on võime toota kütust pikaajaliseks energia salvestamiseks. See on palju enamat, kui praegused taastuvad energiaallikad suudavad isegi areneva akutehnoloogia puhul. Kui päike ei paista või pole näiteks tuuline päev, lõpetavad päikesepaneelid ja tuulepargid lihtsalt tootmise. "Pikaajaliseks hooajaliseks ladustamiseks ja keerukate kütuste ladustamiseks vajame paremat lahendust," ütleb De Luna. "Akud sobivad suurepäraselt igapäevaseks kasutamiseks, telefonide ja isegi autode jaoks, kuid me ei hakka kunagi kasutama [Boeing] 747-t akuga."
Väljakutsed, mida lahendada
Kui rääkida päikesepatareide loomisest – kunstliku fotosünteesi protsessi esimesest sammust – on meil juba olemas tehnoloogia: päikeseenergiasüsteemid. Praegused fotogalvaanilised paneelid, mis on tavaliselt pooljuhtidel põhinevad süsteemid, on aga loodusega võrreldes suhteliselt kallid ja ebaefektiivsed. Vaja on uut tehnoloogiat; mis raiskab palju vähem energiat.
Gary Hastings ja tema meeskond Georgia osariigi ülikoolist Atlantas võisid taimede algset protsessi vaadates komistada lähtepunkti. Fotosünteesi puhul on otsustava tähtsusega elektronide liigutamine rakus teatud vahemaa tagant. Väga lihtsalt öeldes muundatakse see päikesevalgusest põhjustatud liikumine hiljem energiaks. Hastings näitas, et protsess on oma olemuselt väga tõhus, kuna need elektronid ei saa oma algsesse asendisse tagasi minna: "Kui elektron läheb tagasi sinna, kust ta tuli, läheb päikeseenergia kaotsi." Kuigi taimede puhul on see võimalus haruldane, juhtub see päikesepaneelide puhul üsna sageli, selgitades, miks need on tegelikust vähem tõhusad.
Hastings usub, et need "uuringud edendavad tõenäoliselt keemia- või kütusetootmisega seotud päikesepatareide tehnoloogiaid", kuid ta märgib kiiresti, et see on praegu vaid idee ja seda edusamme ei juhtu tõenäoliselt niipea. "Seoses täielikult kunstliku päikesepatarei tehnoloogia valmistamisega, mis on loodud nende ideede põhjal, usun, et tehnoloogia on tulevikus kaugemal, tõenäoliselt mitte järgmise viie aasta jooksul isegi prototüübi puhul."
Üks probleem, mille teadlased usuvad, et oleme lahendamisele lähedal, hõlmab protsessi teist etappi: CO2 muundamist kütuseks. Kuna see molekul on väga stabiilne ja selle purustamiseks kulub uskumatult palju energiat, kasutab tehissüsteem katalüsaatoreid, et vähendada vajalikku energiat ja kiirendada reaktsiooni. See lähenemisviis toob aga kaasa omad probleemid. Viimase kümne aasta jooksul on tehtud palju katseid mangaanist, titaanist ja koobaltist valmistatud katalüsaatoritega, kuid pikaajaline kasutamine on osutunud probleemiks. Teooria võib tunduda hea, kuid need kas lakkavad mõne tunni pärast töötamast, muutuvad ebastabiilseks, aeglustuvad või käivitavad muid keemilisi reaktsioone, mis võivad rakku kahjustada.
Kuid Kanada ja Hiina teadlaste koostöö näib olevat tabanud jackpoti. Nad leidsid võimaluse kombineerida nikli, rauda, koobaltit ja fosforit, et töötada neutraalses pH-s, mis muudab süsteemi töötamise oluliselt lihtsamaks. "Kuna meie katalüsaator töötab hästi neutraalse pH-ga elektrolüüdis, mis on vajalik CO2 vähendamiseks, saame CO2 redutseerimise elektrolüüsi läbi viia [a] membraanivabas süsteemis ja seega saab pinget alandada," ütleb Bo Zhang Hiina Fudani ülikooli makromolekulaarteaduste osakond. Tänu muljetavaldavale 64% elektrilisest keemiliseks muundamisele on meeskond nüüd kunstlike fotosünteesisüsteemide kõrgeima efektiivsusega rekordiomanikud.
"Suurim probleem sellega, mis meil praegu on, on ulatus"
Oma jõupingutuste eest jõudis meeskond NRG COSIA Carbon XPRIZE poolfinaali, mis võib võita neile 20 miljonit dollarit oma uurimistöö eest. Eesmärk on "töötada välja murrangulisi tehnoloogiaid, mis muudavad elektrijaamade ja tööstusrajatiste CO2 heitkogused väärtuslikeks toodeteks" ning nende täiustatud kunstlike fotosünteesisüsteemidega on neil head võimalused.
Järgmine väljakutse on suurendamine. "Suurim probleem praegu on mastaapsus. Kui me mastaapi suurendame, kaotame lõpuks tõhususe, ”ütleb De Luna, kes osales ka Zhangi uuringus. Õnneks pole teadlased oma täiustuste loendit ammendanud ja püüavad nüüd muuta katalüsaatorid erinevate koostiste ja konfiguratsioonide abil tõhusamaks.
Võit kahel rindel
Kindlasti on veel arenguruumi nii lühi- kui ka pikas perspektiivis, kuid paljud arvavad, et kunstlik fotosüntees võib muutuda oluliseks vahendiks puhta ja jätkusuutliku tulevikutehnoloogiana.
"See on uskumatult põnev, sest ala liigub nii kiiresti. Kommertsialiseerimisega seoses oleme pöördepunktis,“ ütleb De Luna ja lisab, et selle toimimine „sõltub paljudest teguritest, sealhulgas avalikust poliitikast ja sellest, kas tööstus nõustub taastuvenergia tehnoloogiaga. .”
Teaduse õigeks saamine on seega alles esimene samm. Hastingsi ja Zhangi sarnaste uurimuste järel tuleb ülioluline samm kunstliku fotosünteesi kaasamiseks meie ülemaailmsesse taastuvenergia strateegiasse. Panused on kõrged. Kui see õnnestub, võidame kahel rindel – mitte ainult kütuste ja keemiatoodete tootmisel, vaid ka oma süsiniku jalajälje vähendamisel.