Φωτοσύνθεση: θεμελιώδης μηχανισμός για τη ζωή σε αυτόν τον πλανήτη, μάστιγα μαθητών βιολογίας GCSE και τώρα ένας πιθανός τρόπος για την καταπολέμηση της κλιματικής αλλαγής. Οι επιστήμονες εργάζονται σκληρά για να αναπτύξουν μια τεχνητή μέθοδο που μιμείται πώς τα φυτά χρησιμοποιούν το ηλιακό φως για να μετατρέψουν το CO2 και το νερό σε κάτι που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ως καύσιμο. Εάν λειτουργεί, θα είναι ένα win-win σενάριο για εμάς: όχι μόνο θα επωφεληθούμε από τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας που παράγονται με αυτόν τον τρόπο, αλλά θα μπορούσε επίσης να γίνει ένας σημαντικός τρόπος για τη μείωση των επιπέδων CO2 στην ατμόσφαιρα.
Ωστόσο, χρειάστηκαν δισεκατομμύρια χρόνια φυτά για την ανάπτυξη της φωτοσύνθεσης, και δεν είναι πάντα εύκολο να αναπαράγουμε αυτό που συμβαίνει στη φύση. Προς το παρόν, τα βασικά βήματα στην τεχνητή φωτοσύνθεση λειτουργούν, αλλά όχι πολύ αποτελεσματικά. Τα καλά νέα είναι ότι η έρευνα σε αυτόν τον τομέα επιταχύνεται και υπάρχουν ομάδες σε όλο τον κόσμο που κάνουν βήματα για την αξιοποίηση αυτής της ολοκληρωμένης διαδικασίας.
Φωτοσύνθεση δύο βημάτων
Η φωτοσύνθεση δεν αφορά μόνο τη σύλληψη του ηλιακού φωτός. Μια σαύρα που κολυμπά στον ζεστό ήλιο μπορεί να το κάνει αυτό. Η φωτοσύνθεση εξελίχθηκε σε φυτά ως τρόπος για να συλλάβει και να αποθηκεύσει αυτήν την ενέργεια (το bit της φωτογραφίας) και να τη μετατρέψει σε υδατάνθρακες (το bit σύνθεσης). Τα φυτά χρησιμοποιούν μια σειρά πρωτεϊνών και ενζύμων που τροφοδοτούνται από το φως του ήλιου για την απελευθέρωση ηλεκτρονίων, τα οποία με τη σειρά τους χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή του CO2 σε σύνθετους υδατάνθρακες. Βασικά, η τεχνητή φωτοσύνθεση ακολουθεί τα ίδια βήματα.
Δείτε σχετικές θέσεις λαμπτήρων στο Λονδίνο μετατρέπονται σε σημεία φόρτισης Ηλιακή ενέργεια στο Ηνωμένο Βασίλειο: Πώς λειτουργεί η ηλιακή ενέργεια και ποια είναι τα πλεονεκτήματά της;
Στη φυσική φωτοσύνθεση, η οποία αποτελεί μέρος του φυσικού κύκλου άνθρακα, έχουμε φως, CO2 και νερό που εισέρχονται στο εργοστάσιο και το εργοστάσιο παράγει ζάχαρη, εξηγεί ο Phil De Luna, υποψήφιος διδάκτορας που εργάζεται στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών του Πανεπιστημίου του Τορόντο. Στην τεχνητή φωτοσύνθεση, χρησιμοποιούμε ανόργανες συσκευές και υλικά. Το πραγματικό τμήμα ηλιακής συλλογής γίνεται από ηλιακά κύτταρα και το τμήμα μετατροπής ενέργειας γίνεται με ηλεκτροχημικές [αντιδράσεις παρουσία] καταλυτών.
Αυτό που πραγματικά προσελκύει αυτή η διαδικασία είναι η ικανότητα παραγωγής καυσίμου για μακροπρόθεσμη αποθήκευση ενέργειας. Αυτό είναι πολύ περισσότερο από αυτό που μπορούν να κάνουν οι τρέχουσες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, ακόμη και με την αναδυόμενη τεχνολογία μπαταριών. Εάν ο ήλιος δεν είναι έξω ή αν δεν είναι θυελλώδης ημέρα, για παράδειγμα, τα ηλιακά πάνελ και τα αιολικά πάρκα σταματούν να παράγουν. Για παρατεταμένη εποχιακή αποθήκευση και αποθήκευση σε σύνθετα καύσιμα, χρειαζόμαστε μια καλύτερη λύση, λέει ο De Luna. Οι μπαταρίες είναι ιδανικές για μέρα με τη μέρα, για τηλέφωνα και ακόμη και για αυτοκίνητα, αλλά ποτέ δεν πρόκειται να τρέξουμε [Boeing] 747 με μπαταρία.
Προκλήσεις για επίλυση
Όσον αφορά τη δημιουργία ηλιακών κυττάρων - το πρώτο βήμα στη διαδικασία της τεχνητής φωτοσύνθεσης - έχουμε ήδη τη τεχνολογία: συστήματα ηλιακής ενέργειας. Ωστόσο, τα τρέχοντα φωτοβολταϊκά πάνελ, τα οποία είναι συνήθως συστήματα που βασίζονται σε ημιαγωγούς, είναι σχετικά ακριβά και αναποτελεσματικά σε σύγκριση με τη φύση. Χρειάζεται μια νέα τεχνολογία. ένα που σπαταλά πολύ λιγότερη ενέργεια.
Ο Gary Hastings και η ομάδα του από Κρατικό Πανεπιστήμιο της Γεωργίας, Ατλάντα , μπορεί να έχει σκοντάψει ένα σημείο εκκίνησης όταν εξετάζει την αρχική διαδικασία στα φυτά. Στη φωτοσύνθεση, το κρίσιμο σημείο περιλαμβάνει την κίνηση ηλεκτρονίων σε μια συγκεκριμένη απόσταση στο κελί. Με πολύ απλούς όρους, αυτή η κίνηση προκαλείται από το φως του ήλιου που αργότερα μετατρέπεται σε ενέργεια. Ο Χέιστινγκς έδειξε ότι η διαδικασία είναι πολύ αποτελεσματική στη φύση επειδή αυτά τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να επιστρέψουν στην αρχική τους θέση: Εάν το ηλεκτρόνιο επιστρέψει στο σημείο από το οποίο προέρχεται, τότε η ηλιακή ενέργεια χάνεται. Ενώ αυτή η πιθανότητα είναι σπάνια στα φυτά, συμβαίνει αρκετά συχνά στα ηλιακά πάνελ, εξηγώντας γιατί είναι λιγότερο αποτελεσματικά από το πραγματικό.
Ο Hastings πιστεύει ότι αυτή η έρευνα είναι πιθανό να προωθήσει τεχνολογίες ηλιακών κυττάρων που σχετίζονται με την παραγωγή χημικών ή καυσίμων, αλλά είναι γρήγορος να επισημάνει ότι αυτή είναι μια ιδέα αυτή τη στιγμή και αυτή η πρόοδος είναι απίθανο να συμβεί σύντομα. Όσον αφορά την κατασκευή μιας πλήρως τεχνητής τεχνολογίας ηλιακών κυψελών που έχει σχεδιαστεί με βάση αυτές τις ιδέες, πιστεύω ότι η τεχνολογία είναι ακόμη πιο μακριά στο μέλλον, πιθανώς όχι μέσα στα επόμενα πέντε χρόνια ακόμη και για ένα πρωτότυπο.
Ένα πρόβλημα που οι ερευνητές πιστεύουν ότι πλησιάζουμε στην επίλυση περιλαμβάνει το δεύτερο βήμα της διαδικασίας: τη μετατροπή του CO2 σε καύσιμο. Καθώς αυτό το μόριο είναι πολύ σταθερό και χρειάζεται απίστευτη ποσότητα ενέργειας για να το σπάσει, το τεχνητό σύστημα χρησιμοποιεί καταλύτες για να μειώσει την απαιτούμενη ενέργεια και να βοηθήσει στην επιτάχυνση της αντίδρασης. Ωστόσο, αυτή η προσέγγιση φέρνει το δικό της σύνολο προβλημάτων. Έχουν γίνει πολλές προσπάθειες τα τελευταία δέκα χρόνια, με καταλύτες κατασκευασμένους από μαγγάνιο, τιτάνιο και κοβάλτιο, αλλά η παρατεταμένη χρήση έχει αποδειχθεί πρόβλημα. Η θεωρία μπορεί να φαίνεται καλή, αλλά είτε σταματούν να εργάζονται μετά από μερικές ώρες, γίνονται ασταθείς, επιβραδύνουν ή προκαλούν άλλες χημικές αντιδράσεις που μπορεί να βλάψουν το κύτταρο.
Αλλά μια συνεργασία μεταξύ Καναδών και Κινέζων ερευνητών φαίνεται να έχει κερδίσει το τζάκποτ . Βρήκαν έναν τρόπο συνδυασμού νικελίου, σιδήρου, κοβαλτίου και φωσφόρου για να λειτουργήσουν σε ουδέτερο pH, γεγονός που καθιστά τη λειτουργία του συστήματος πολύ πιο εύκολη. Δεδομένου ότι ο καταλύτης μας μπορεί να λειτουργήσει καλά σε ουδέτερο ηλεκτρολύτη pH, το οποίο είναι απαραίτητο για τη μείωση του CO2, μπορούμε να εκτελέσουμε την ηλεκτρόλυση της μείωσης του CO2 σε ένα σύστημα χωρίς μεμβράνη, και ως εκ τούτου η τάση μπορεί να μειωθεί, λέει ο Bo Zhang, από το Τμήμα της Μακρομοριακής Επιστήμης στο Πανεπιστήμιο Fudan, Κίνα. Με μια εντυπωσιακή μετατροπή ισχύος σε χημική ισχύ 64%, η ομάδα είναι πλέον κάτοχοι δίσκων με την υψηλότερη απόδοση για συστήματα τεχνητής φωτοσύνθεσης.
πώς να διαγράψετε τον λογαριασμό σας spotify
Το μεγαλύτερο ζήτημα με αυτό που έχουμε τώρα είναι η κλίμακα
Για τις προσπάθειές τους, η ομάδα έφτασε στους ημιτελικούς στο NRG COSIA Carbon XPRIZE, το οποίο θα μπορούσε να τους κερδίσει 20 εκατομμύρια δολάρια για την έρευνά τους. Ο στόχος είναι να αναπτυχθούν πρωτοποριακές τεχνολογίες που θα μετατρέψουν τις εκπομπές CO2 από σταθμούς παραγωγής ενέργειας και βιομηχανικές εγκαταστάσεις σε πολύτιμα προϊόντα και με τα βελτιωμένα συστήματα τεχνητής φωτοσύνθεσής τους, έχουν μια καλή ευκαιρία.
Η επόμενη πρόκληση αυξάνεται. Το μεγαλύτερο ζήτημα με αυτό που έχουμε τώρα είναι η κλίμακα. Όταν μεγαλώνουμε, καταλήγουμε να χάνουμε αποτελεσματικότητα, λέει ο De Luna, ο οποίος συμμετείχε επίσης στη μελέτη του Zhang. Ευτυχώς, οι ερευνητές δεν έχουν εξαντλήσει τη λίστα βελτιώσεων τους και τώρα προσπαθούν να καταστήσουν τους καταλύτες πιο αποτελεσματικούς μέσω διαφορετικών συνθέσεων και διαφορετικών διαμορφώσεων.
Νίκη σε δύο μέτωπα
Σίγουρα υπάρχει ακόμη περιθώριο βελτίωσης τόσο βραχυπρόθεσμα όσο και μακροπρόθεσμα, αλλά πολλοί πιστεύουν ότι η αρχική φωτοσύνθεση έχει τη δυνατότητα να γίνει ένα σημαντικό εργαλείο ως καθαρή και βιώσιμη τεχνολογία για το μέλλον.
Είναι απίστευτα συναρπαστικό γιατί το πεδίο κινείται τόσο γρήγορα. Όσον αφορά την εμπορευματοποίηση, είμαστε στο σημείο αιχμής, λέει ο De Luna, προσθέτοντας ότι, αν λειτουργεί θα εξαρτηθεί από πολλούς παράγοντες, όπως η δημόσια πολιτική και η υιοθέτηση από τη βιομηχανία για αποδοχή τεχνολογίας ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.
Η σωστή απόκτηση της επιστήμης είναι μόνο το πρώτο βήμα. Μετά την έρευνα των Hastings και Zhang, θα έρθει η κρίσιμη κίνηση να απορροφήσει την τεχνητή φωτοσύνθεση στην παγκόσμια στρατηγική μας σχετικά με τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Τα στοιχήματα είναι υψηλά. Αν περάσει, θα κερδίσουμε δύο μέτωπα - όχι μόνο παράγοντας καύσιμα και χημικά προϊόντα, αλλά και μειώνοντας το αποτύπωμα άνθρακα στη διαδικασία.
