Фотосинтез: фундаментальный механизм жизни на этой планете, бедствие для студентов, изучающих биологию, а теперь и потенциальный способ борьбы с изменением климата. Ученые упорно работают над созданием искусственного метода, который имитирует использование солнечного света растениями для преобразования CO2 и воды в то, что мы можем использовать в качестве топлива. Если это сработает, это будет беспроигрышный сценарий для нас: мы не только выиграем от возобновляемых источников энергии, производимых 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.
Двухступенчатый 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 «фото») 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.
«При 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 в Департаменте электротехники и компьютерной инженерии. Университет Торонто. «В искусственном фотосинтезе мы используем неорганические устройства и материалы. Фактическая часть сбора солнечной энергии осуществляется солнечными батареями, а часть преобразования энергии - 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 использованием новейших 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 [Боинг] 747 с аккумулятором».
Проблемы, которые нужно решить
Когда дело доходит до создания солнечных элементов - 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 Университета штата Джорджия в Атланте, возможно, наткнулись на отправную точку, рассматривая исходный процесс на заводах. 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 технологии солнечных батарей, связанных с химическим производством или производством топлива», но он сразу же отмечает, что это всего лишь идея в данный момент, 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 предпринято множество попыток с использованием катализаторов 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 комбинировать 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 Департамент макромолекулярных наук Университета Фудань, Китай. Благодаря впечатляющему преобразованию электрической энергии в химическую энергию на 64%, команда теперь является рекордсменом по самой высокой эффективности систем искусственного фотосинтеза.
«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 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 все меняется 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.
