Jak działa sztuczna fotosynteza

Jeśli najmądrzejszym źródłem energii jest takie, które jest obfite, tanie i czyste, to rośliny są dużo mądrzejsze od ludzi. Przez miliardy lat opracowali prawdopodobnie najbardziej wydajne źródło zasilania na świecie: fotosyntezę , czyli konwersję światła słonecznego, dwutlenku węgla i wody w użyteczne paliwo, emitując w tym procesie użyteczny tlen.

W przypadku roślin (a także glonów i niektórych bakterii) „paliwem użytkowym” są węglowodany, białka i tłuszcze. Z drugiej strony ludzie szukają paliwa płynnego do zasilania samochodów i elektryczności do zasilania lodówek. Ale to nie znaczy, że nie możemy patrzeć na fotosyntezę, aby rozwiązać nasze brudne, drogie i malejące problemy energetyczne. Przez lata naukowcy próbowali wymyślić sposób na wykorzystanie tego samego systemu energetycznego, co rośliny, ale ze zmienioną wydajnością końcową.

Wykorzystując wyłącznie światło słoneczne jako wkład energii, rośliny dokonują ogromnych konwersji energii, co roku zamieniając 1102 miliardy ton (1000 miliardów ton metrycznych) CO ₂ w materię organiczną, tj. energię dla zwierząt w postaci pożywienia [źródło: Hunter ] . A to tylko 3 procent światła słonecznego, które dociera do Ziemi [źródło: Boyd ].

Energia dostępna w świetle słonecznym jest niewykorzystanym zasobem, z którym dopiero zaczęliśmy naprawdę sobie radzić. Obecna technologia ogniw fotowoltaicznych, zwykle system półprzewodnikowy, jest droga, niezbyt wydajna i umożliwia jedynie natychmiastową konwersję ze światła słonecznego na elektryczność – wytworzona energia nie jest magazynowana na czarną godzinę (chociaż to może się zmienić: patrz „Czy istnieje sposób na pozyskanie energii słonecznej w nocy?”). Ale sztuczny system fotosyntezy lub komórka fotoelektrochemiczna, która naśladuje to, co dzieje się w roślinach, może potencjalnie stworzyć nieskończone, stosunkowo niedrogie źródło czystego „gazu” i elektryczności, których potrzebujemy do zasilenia naszego życia – i to w formie, którą można przechowywać.

W tym artykule przyjrzymy się sztucznej fotosyntezie i zobaczymy, jak daleko zaszła. Dowiemy się, co system musi być w stanie zrobić, przyjrzymy się niektórym obecnym metodom uzyskiwania sztucznej fotosyntezy i zobaczymy, dlaczego nie jest tak łatwo zaprojektować, jak inne systemy konwersji energii.

Co więc musi robić sztuczny system fotosyntezy?

1. Metody sztucznej fotosyntezy
2. Zastosowania sztucznej fotosyntezy
3. Wyzwania w tworzeniu sztucznej fotosyntezy

Aby odtworzyć fotosyntezę udoskonaloną przez rośliny, system konwersji energii musi być w stanie wykonać dwie kluczowe rzeczy (prawdopodobnie wewnątrz jakiegoś rodzaju nanorurki, która działa jak „liść”): zbierać światło słoneczne i rozdzielać cząsteczki wody.

Rośliny wykonują te zadania, wykorzystując chlorofil, który wychwytuje światło słoneczne, oraz zbiór białek i enzymów, które wykorzystują to światło słoneczne do rozkładania cząsteczek _H2O na wodór, elektrony i tlen (protony). Elektrony i wodór są następnie wykorzystywane do przekształcenia CO2 _w węglowodany, a tlen jest wydalany.

Aby sztuczny system działał na potrzeby ludzi, wydajność musi się zmienić. Zamiast uwalniać tylko tlen pod koniec reakcji, musiałby również uwalniać ciekły wodór (lub być może metanol). Ten wodór może być używany bezpośrednio jako paliwo płynne lub kierowany do ogniwa paliwowego. Skłonienie procesu do produkcji wodoru nie stanowi problemu, ponieważ jest on już obecny w cząsteczkach wody. A przechwytywanie światła słonecznego nie stanowi problemu — robią to obecne systemy energii słonecznej.

Twarda część polega na rozszczepianiu cząsteczek wody, aby uzyskać elektrony niezbędne do ułatwienia procesu chemicznego, w którym powstaje wodór. Rozszczepianie wody wymaga wkładu energii około 2,5 V [źródło: Hunter ]. Oznacza to, że proces wymaga katalizatora – czegoś, co wprawi całość w ruch. Katalizator reaguje z fotonami słońca, inicjując reakcję chemiczną.

W ciągu ostatnich pięciu lub dziesięciu lat nastąpiły w tej dziedzinie ważne postępy. Kilka z bardziej udanych katalizatorów to:

Po udoskonaleniu systemy te mogą zmienić sposób, w jaki zasilamy nasz świat.

Fossil fuels are in short supply, and they're contributing to pollution and global warming. Coal, while abundant, is highly polluting both to human bodies and the environment. Wind turbines are hurting picturesque landscapes, corn requires huge tracts of farmland and current solar-cell technology is expensive and inefficient. Artificial photosynthesis could offer a new, possibly ideal way out of our energy predicament.

For one thing, it has benefits over photovoltaic cells, found in today's solar panels. The direct conversion of sunlight to electricity in photovoltaic cells makes solar power a weather- and time-dependent energy, which decreases its utility and increases its price. Artificial photosynthesis, on the other hand, could produce a storable fuel.

And unlike most methods of generating alternative energy, artificial photosynthesis has the potential to produce more than one type of fuel. The photosynthetic process could be tweaked so the reactions between light, CO₂ and H₂O ultimately produce liquid hydrogen. Liquid hydrogen can be used like gasoline in hydrogen-powered engines. It could also be funneled into a fuel-cell setup, which would effectively reverse the photosynthesis process, creating electricity by combining hydrogen and oxygen into water. Hydrogen fuel cells can generate electricity like the stuff we get from the grid, so we'd use it to run our air conditioning and water heaters.

Jednym z aktualnych problemów z energią wodorową na dużą skalę jest pytanie, jak wydajnie – i czysto – generować ciekły wodór. Rozwiązaniem może być sztuczna fotosynteza.

Kolejnym możliwym wyjściem jest metanol. Zamiast emitować czysty wodór w procesie fotosyntezy, ogniwo fotoelektrochemiczne może generować paliwo metanolowe (CH ₃ OH). Metanol lub alkohol metylowy jest zazwyczaj pozyskiwany z metanu zawartego w gazie ziemnym i często dodaje się go do benzyny komercyjnej, aby spalać się czyściej. Niektóre samochody mogą nawet jeździć na samym metanolu.

Możliwość produkcji czystego paliwa bez generowania szkodliwych produktów ubocznych, takich jak gazy cieplarniane, sprawia, że ​​sztuczna fotosynteza jest idealnym źródłem energii dla środowiska. Nie wymagałoby wydobycia, uprawy ani wiercenia. A ponieważ ani wody, ani dwutlenku węgla nie brakuje obecnie, może to być również nieograniczone źródło, potencjalnie tańsze niż inne formy energii na dłuższą metę. W rzeczywistości tego typu reakcja fotoelektrochemiczna może nawet usunąć z powietrza duże ilości szkodliwego CO ₂ w procesie produkcji paliwa. To sytuacja korzystna dla obu stron.

Ale jeszcze nas tam nie ma. Istnieje kilka przeszkód na drodze do wykorzystania sztucznej fotosyntezy na masową skalę.

Chociaż sztuczna fotosynteza działa w laboratorium, nie jest gotowa na masową konsumpcję. Powielanie tego, co dzieje się naturalnie w roślinach zielonych, nie jest prostym zadaniem.

Wydajność ma kluczowe znaczenie w produkcji energii. Roślinom zajęło miliardy lat opracowanie procesu fotosyntezy, który działa dla nich wydajnie; odtworzenie tego w systemie syntetycznym wymaga wielu prób i błędów.

Mangan, który działa jak katalizator w roślinach, nie działa tak dobrze w układzie stworzonym przez człowieka, głównie dlatego, że mangan jest nieco niestabilny. Nie trwa to szczególnie długo i nie rozpuszcza się w wodzie, przez co system na bazie manganu jest nieco nieefektywny i niepraktyczny. Inną dużą przeszkodą jest to, że geometria molekularna w roślinach jest niezwykle złożona i dokładna – większość stworzonych przez człowieka układów nie jest w stanie odtworzyć tego poziomu złożoności.

Stabilność jest problemem w wielu potencjalnych systemach fotosyntezy. Katalizatory organiczne często ulegają degradacji lub wywołują dodatkowe reakcje, które mogą uszkodzić działanie ogniwa. Katalizatory nieorganiczne z tlenkiem metali są dobrą możliwością, ale muszą działać wystarczająco szybko, aby efektywnie wykorzystać fotony wpadające do układu. Ten rodzaj katalitycznej prędkości jest trudny do zdobycia. A niektórych tlenków metali, które mają taką prędkość, brakuje w innym obszarze – obfitości.

W obecnych najnowocześniejszych ogniwach uczulanych barwnikiem problemem nie jest katalizator; zamiast tego to roztwór elektrolitu pochłania protony z rozszczepionych cząsteczek wody. Jest to zasadnicza część ogniwa, ale jest wykonana z lotnych rozpuszczalników, które mogą powodować erozję innych elementów układu.

Postępy w ciągu ostatnich kilku lat zaczynają rozwiązywać te problemy. Tlenek kobaltu jest stabilnym, szybkim i obficie występującym tlenkiem metalu. Naukowcy zajmujący się komórkami uwrażliwionymi na barwnik opracowali rozwiązanie nie zawierające rozpuszczalników, które ma zastąpić substancje żrące.

Badania nad sztuczną fotosyntezą nabierają rozpędu, ale w najbliższym czasie nie opuszczą laboratorium. Minie co najmniej 10 lat, zanim tego typu system stanie się rzeczywistością [źródło: Boyd ]. I to jest całkiem obiecujące oszacowanie. Niektórzy ludzie nie są pewni, że to się kiedykolwiek zdarzy. Ale któż może się oprzeć nadziei na sztuczne rośliny, które zachowują się jak prawdziwe?

Powiązane artykuły