Fotosyntéza: základný mechanizmus pre život na tejto planéte, pohroma študentov biológie GCSE a teraz potenciálny spôsob boja proti zmene klímy. Vedci usilovne pracujú na vývoji umelej metódy, ktorá napodobňuje, ako rastliny využívajú slnečné svetlo na premenu CO2 a vody na niečo, čo môžeme použiť ako palivo. Ak to bude fungovať, bude to pre nás obojstranne výhodný scenár: nielenže budeme mať úžitok z obnoviteľnej energie vyrobenej týmto spôsobom, ale môže sa stať aj dôležitým spôsobom, ako znížiť hladiny CO2 v atmosfére.
Rastlinám však trvalo miliardy rokov, kým vyvinuli fotosyntézu, a nie je vždy ľahké zopakovať to, čo sa deje v prírode. V súčasnosti základné kroky umelej fotosyntézy fungujú, no nie veľmi efektívne. Dobrou správou je, že výskum v tejto oblasti naberá na tempe a na celom svete existujú skupiny, ktoré robia kroky na využitie tohto integrálneho procesu.
Dvojstupňová fotosyntéza
Fotosyntéza nie je len o zachytávaní slnečného svetla. To dokáže jašterica kúpajúca sa na teplom slnku. Fotosyntéza sa vyvinula v rastlinách ako spôsob, ako zachytiť a uložiť túto energiu (bit "foto") a premeniť ju na sacharidy (bit "syntéza"). Rastliny využívajú sériu bielkovín a enzýmov poháňaných slnečným žiarením na uvoľňovanie elektrónov, ktoré sa zase používajú na premenu CO2 na komplexné sacharidy. Umelá fotosyntéza v podstate prebieha podľa rovnakých krokov.
„Pri prirodzenej fotosyntéze, ktorá je súčasťou prirodzeného uhlíkového cyklu, do rastliny vstupuje svetlo, CO2 a voda a rastlina vyrába cukor,“ vysvetľuje Phil De Luna, kandidát na doktorandské štúdium na Katedre elektrotechniky a počítačového inžinierstva. univerzite v Toronte. „Pri umelej fotosyntéze používame anorganické zariadenia a materiály. Skutočnú časť získavania zo slnka robia solárne články a časť premeny energie robia elektrochemické [reakcie v prítomnosti] katalyzátorov.“
To, čo na tomto procese skutočne láka, je schopnosť vyrábať palivo na dlhodobé skladovanie energie. To je oveľa viac, ako dokážu súčasné obnoviteľné zdroje energie, dokonca aj s novou technológiou batérií. Ak napríklad nesvieti slnko alebo nie je veterný deň, solárne panely a veterné farmy jednoducho prestanú vyrábať. „Na dlhodobé sezónne skladovanie a skladovanie v komplexných palivách potrebujeme lepšie riešenie,“ hovorí De Luna. "Batérie sú skvelé na každý deň, pre telefóny a dokonca aj pre autá, ale nikdy nebudeme prevádzkovať [Boeing] 747 s batériou."
Výzvy na riešenie
Pokiaľ ide o vytváranie solárnych článkov – prvý krok v procese umelej fotosyntézy – už máme technológiu: solárne systémy. Súčasné fotovoltaické panely, ktoré sú typicky polovodičovými systémami, sú však v porovnaní s prírodou relatívne drahé a neefektívne. Je potrebná nová technológia; taký, ktorý míňa oveľa menej energie.
Gary Hastings a jeho tím z Georgia State University v Atlante možno pri pohľade na pôvodný proces v závodoch narazili na východiskový bod. Pri fotosyntéze je kľúčovým bodom pohyb elektrónov na určitú vzdialenosť v bunke. Veľmi jednoducho povedané, je to tento pohyb spôsobený slnečným žiarením, ktoré sa neskôr premení na energiu. Hastings ukázal, že tento proces je v prírode veľmi efektívny, pretože tieto elektróny sa nemôžu vrátiť do svojej pôvodnej polohy: „Ak sa elektrón vráti tam, odkiaľ prišiel, slnečná energia sa stratí.“ Aj keď je táto možnosť v rastlinách zriedkavá, v solárnych paneloch sa to stáva pomerne často, čo vysvetľuje, prečo sú menej účinné ako skutočné.
Hastings verí, že tento „výskum pravdepodobne povedie k pokroku v technológiách solárnych článkov súvisiacich s výrobou chemikálií alebo palív“, ale rýchlo poukazuje na to, že v súčasnosti je to len nápad a je nepravdepodobné, že by sa tento pokrok v dohľadnej dobe uskutočnil. "Pokiaľ ide o výrobu technológie plne umelých solárnych článkov, ktorá je navrhnutá na základe týchto myšlienok, verím, že technológia je v budúcnosti ďalej, pravdepodobne nie v priebehu nasledujúcich piatich rokov, dokonca ani v prípade prototypu."
Jeden problém, o ktorom sa výskumníci domnievajú, že sme blízko k vyriešeniu, zahŕňa druhý krok v procese: premenu CO2 na palivo. Keďže táto molekula je veľmi stabilná a na jej rozbitie je potrebné neuveriteľné množstvo energie, umelý systém používa katalyzátory na zníženie potrebnej energie a pomáha urýchliť reakciu. Tento prístup však prináša svoje vlastné problémy. Za posledných desať rokov sa uskutočnilo mnoho pokusov s katalyzátormi vyrobenými z mangánu, titánu a kobaltu, ale dlhodobé používanie sa ukázalo ako problém. Teória sa môže zdať dobrá, ale buď prestanú fungovať po niekoľkých hodinách, stanú sa nestabilnými, spomalenými alebo spúšťajú iné chemické reakcie, ktoré môžu bunku poškodiť.
Zdá sa však, že spolupráca medzi kanadskými a čínskymi výskumníkmi zasiahla jackpot. Našli spôsob, ako spojiť nikel, železo, kobalt a fosfor, aby fungovali pri neutrálnom pH, čo značne uľahčuje chod systému. „Keďže náš katalyzátor môže dobre fungovať v elektrolyte s neutrálnym pH, ktorý je potrebný na redukciu CO2, môžeme spustiť elektrolýzu redukcie CO2 v [a] bezmembránovom systéme, a teda napätie možno znížiť,“ hovorí Bo Zhang, z Katedra makromolekulárnych vied na Univerzite Fudan v Číne. Vďaka pôsobivej 64% konverzii elektrickej energie na chemickú je tím teraz držiteľmi rekordov s najvyššou účinnosťou pre systémy umelej fotosyntézy.
„Najväčší problém s tým, čo teraz máme, je mierka“
Za svoje úsilie sa tím dostal do semifinále v NRG COSIA Carbon XPRIZE, čo im mohlo vyhrať 20 miliónov dolárov na ich výskum. Cieľom je „vyvinúť prelomové technológie, ktoré premenia emisie CO2 z elektrární a priemyselných zariadení na hodnotné produkty“ a vďaka vylepšeným systémom umelej fotosyntézy majú dobrú šancu.
Ďalšou výzvou je zvyšovanie. „Najväčší problém s tým, čo teraz máme, je mierka. Keď sa zväčšujeme, strácame efektivitu,“ hovorí De Luna, ktorý sa podieľal aj na Zhangovej štúdii. Našťastie výskumníci nevyčerpali svoj zoznam vylepšení a teraz sa snažia zefektívniť katalyzátory prostredníctvom rôznych zložení a rôznych konfigurácií.
Víťazstvo na dvoch frontoch
Z krátkodobého aj dlhodobého hľadiska je určite stále priestor na zlepšenie, no mnohí sa domnievajú, že umelá fotosyntéza má potenciál stať sa dôležitým nástrojom ako čistá a udržateľná technológia budúcnosti.
"Je to neuveriteľne vzrušujúce, pretože ihrisko sa pohybuje tak rýchlo. Pokiaľ ide o komercializáciu, sme v bode zlomu,“ hovorí De Luna a dodáva, že to, či to bude fungovať, „bude závisieť od mnohých faktorov, medzi ktoré patrí verejná politika a prijatie technológie obnoviteľnej energie zo strany priemyslu. .“
Správna veda je teda naozaj len prvým krokom. Po výskume ľudí ako Hastings a Zhang príde zásadný krok na absorbovanie umelej fotosyntézy do našej globálnej stratégie v oblasti obnoviteľnej energie. V stávke je veľa. Ak sa presadí, môžeme vyhrať na dvoch frontoch – nielen pri výrobe palív a chemických produktov, ale aj pri znižovaní našej uhlíkovej stopy v tomto procese.