Fotosintezė: pagrindinis gyvybės šioje planetoje mechanizmas, GCSE biologijos studentų rykštė ir dabar galimas būdas kovoti su klimato kaita. Mokslininkai sunkiai dirba kurdami dirbtinį metodą, imituojantį, kaip augalai naudoja saulės šviesą, kad paverstų CO2 ir vandenį kažkuo, kurį galime naudoti kaip kurą. Jei tai pasiteisins, tai bus abipusiai naudingas scenarijus: tokiu būdu pagaminta atsinaujinanti energija ne tik turės naudos, bet ir gali tapti svarbiu būdu sumažinti CO2 kiekį atmosferoje.
Tačiau augalams prireikė milijardų metų, kad išsivystytų fotosintezė, o atkartoti tai, kas vyksta gamtoje, ne visada lengva užduotis. Šiuo metu pagrindiniai dirbtinės fotosintezės žingsniai veikia, bet ne itin efektyviai. Geros naujienos yra tai, kad šios srities tyrimai įsibėgėja, o visame pasaulyje yra grupių, kurios imasi veiksmų, siekdamos panaudoti šį integralų procesą.
Dviejų pakopų fotosintezė
Fotosintezė – tai ne tik saulės šviesos fiksavimas. Tai gali padaryti driežas, besimaudantis šiltoje saulėje. Fotosintezė augaluose išsivystė kaip būdas užfiksuoti ir saugoti šią energiją ("foto" bitas) ir paversti ją angliavandeniais ("sintezės" bitas). Augalai naudoja daugybę baltymų ir fermentų, kuriuos maitina saulės šviesa, kad išskirtų elektronus, kurie savo ruožtu naudojami CO2 pavertimui sudėtingais angliavandeniais. Iš esmės dirbtinė fotosintezė vyksta tais pačiais žingsniais.
„Vykstant natūraliai fotosintezei, kuri yra natūralaus anglies ciklo dalis, į augalą patenka šviesa, CO2 ir vanduo, o augalas gamina cukrų“, – aiškina Philas De Luna, doktorantas, dirbantis Elektros ir kompiuterių inžinerijos katedroje. Toronto universitetas. „Dirbtinėje fotosintezėje naudojame neorganinius prietaisus ir medžiagas. Tikroji saulės energijos surinkimo dalis atliekama saulės elementais, o energijos konversijos dalis atliekama elektrocheminėmis [reakcijomis esant] katalizatoriams.
Tai, kas iš tikrųjų patraukli šiame procese, yra galimybė gaminti kurą ilgalaikiam energijos kaupimui. Tai yra daug daugiau, nei gali padaryti dabartiniai atsinaujinantys energijos šaltiniai, net ir su nauja akumuliatorių technologija. Pavyzdžiui, jei saulė nešviečia arba ne vėjuota diena, saulės baterijos ir vėjo jėgainės tiesiog nustoja gaminti. „Norint ilgai laikyti sezoninį ir sudėtinį kurą, mums reikia geresnio sprendimo“, – sako De Luna. „Akumuliatoriai puikiai tinka kasdieniam naudojimui, telefonams ir net automobiliams, bet mes niekada neleisime [Boeing] 747 su akumuliatoriumi.
Iššūkiai, kuriuos reikia išspręsti
Kalbant apie saulės elementų kūrimą – pirmą žingsnį dirbtinės fotosintezės procese – jau turime technologiją: saulės energijos sistemas. Tačiau dabartinės fotovoltinės plokštės, kurios paprastai yra puslaidininkių sistemos, yra palyginti brangios ir neefektyvios, palyginti su gamta. Reikia naujos technologijos; kuri eikvoja daug mažiau energijos.
Gary'is Hastingsas ir jo komanda iš Džordžijos valstijos universiteto Atlantoje galėjo suklupti atspirties tašką žiūrėdami į pradinį procesą augaluose. Fotosintezės metu svarbiausias taškas yra elektronų judėjimas ląstelėje tam tikru atstumu. Labai paprastai tariant, tai yra saulės šviesos sukeltas judėjimas, kuris vėliau paverčiamas energija. Hastingsas parodė, kad procesas gamtoje yra labai efektyvus, nes šie elektronai negali grįžti į pradinę padėtį: „Jei elektronas grįžta ten, iš kur kilo, tada saulės energija prarandama“. Nors ši galimybė augaluose yra reta, saulės baterijose ji pasitaiko gana dažnai, paaiškinant, kodėl jos yra mažiau veiksmingos nei tikrosios.
Hastingsas mano, kad šie „tyrimai greičiausiai paskatins saulės elementų technologijas, susijusias su chemijos ar kuro gamyba“, tačiau jis greitai pažymi, kad šiuo metu tai tik idėja ir greičiausiai ši pažanga įvyks artimiausiu metu. „Kalbant apie visiškai dirbtinės saulės elementų technologijos, sukurtos remiantis šiomis idėjomis, gamybą, manau, kad ateityje technologija bus toliau, greičiausiai ne per artimiausius penkerius metus net prototipui.
Viena problema, tyrėjų manymu, yra arti sprendimo, apima antrąjį proceso žingsnį: CO2 pavertimą kuru. Kadangi ši molekulė yra labai stabili ir jai suskaidyti reikia neįtikėtinai daug energijos, dirbtinė sistema naudoja katalizatorius, kad sumažintų reikiamą energiją ir pagreitintų reakciją. Tačiau šis požiūris kelia savų problemų. Per pastaruosius dešimt metų buvo daug bandymų naudoti katalizatorius iš mangano, titano ir kobalto, tačiau ilgalaikis naudojimas pasirodė esąs problema. Teorija gali atrodyti gera, bet jie arba nustoja veikti po kelių valandų, tampa nestabilūs, sulėtėja arba sukelia kitas chemines reakcijas, kurios gali pažeisti ląstelę.
Tačiau panašu, kad Kanados ir Kinijos mokslininkų bendradarbiavimas pasiekė didžiausią prizą. Jie rado būdą, kaip sujungti nikelį, geležį, kobaltą ir fosforą, kad būtų pasiektas neutralus pH, o tai žymiai palengvina sistemos veikimą. „Kadangi mūsų katalizatorius gali gerai veikti neutralaus pH elektrolite, kuris yra būtinas CO2 mažinimui, mes galime vykdyti CO2 redukcijos elektrolizę sistemoje be membranos, todėl įtampa gali būti sumažinta“, - sako Bo Zhang Fudano universiteto, Kinijos, makromolekulinių mokslų katedra. Įspūdinga 64 % elektros energijos konvertavimo į cheminę galią komanda dabar yra rekordininkė, turinti didžiausią dirbtinių fotosintezės sistemų efektyvumą.
„Didžiausia problema, ką turime šiuo metu, yra mastas“
Už savo pastangas komanda pateko į NRG COSIA Carbon XPRIZE pusfinalį, kuris galėjo laimėti 20 mln. Tikslas yra „sukurti pažangias technologijas, kurios paverstų jėgainių ir pramonės objektų CO2 emisijas vertingais produktais“, o patobulintos dirbtinės fotosintezės sistemos turi daug šansų.
Kitas iššūkis yra padidinti. „Didžiausia problema, ką turime šiuo metu, yra mastas. Kai padidiname mastą, prarandame efektyvumą“, - sako De Luna, kuris taip pat dalyvavo Zhang tyrime. Laimei, mokslininkai neišnaudojo savo patobulinimų sąrašo ir dabar bando padaryti katalizatorius veiksmingesnius naudodami skirtingas kompozicijas ir skirtingas konfigūracijas.
Pergalė dviem frontais
Tikrai dar yra kur tobulėti tiek trumpuoju, tiek ilguoju laikotarpiu, tačiau daugelis mano, kad dirbtinė fotosintezė gali tapti svarbia priemone kaip švari ir tvari ateities technologija.
„Tai nepaprastai įdomu, nes laukas juda taip greitai. Kalbant apie komercializavimą, mes esame lūžio taške“, – sako De Luna ir priduria, kad tai, ar tai veiks, „priklausys nuo daugelio veiksnių, įskaitant viešąją politiką ir pramonės priėmimą priimti atsinaujinančios energijos technologijas. .
Teisingas mokslas iš tikrųjų yra tik pirmas žingsnis. Po Hastingso ir Zhango atliktų tyrimų įvyks esminis žingsnis siekiant įtraukti dirbtinę fotosintezę į mūsų pasaulinę atsinaujinančios energijos strategiją. Statos didelės. Jei tai pasiseks, laimėsime dviem frontais – ne tik kuro ir chemijos produktų gamyba, bet ir savo anglies pėdsako mažinimu.