Фотосинтеза: основни механизам за живот на овој планети, пошаст студената биологије ГЦСЕ, а сада и потенцијални начин борбе против климатских промена. Научници напорно раде на развоју вештачке методе која опонаша како биљке користе сунчеву светлост да трансформишу ЦО2 и воду у нешто што можемо да користимо као гориво. Ако успе, то ће за нас бити вин-вин сценарио: не само да ћемо имати користи од обновљиве енергије произведене на овај начин, већ би то такође могао постати важан начин за смањење нивоа ЦО2 у атмосфери.
Међутим, биљкама су биле потребне милијарде година да развију фотосинтезу и није увек лак задатак поновити оно што се дешава у природи. Тренутно, основни кораци у вештачкој фотосинтези раде, али не баш ефикасно. Добра вест је да истраживања у овој области убрзавају и да постоје групе широм света које чине кораке ка искориштавању овог интегралног процеса.
Фотосинтеза у два корака
Фотосинтеза није само хватање сунчеве светлости. То може учинити гуштер који се купа на топлом сунцу. Фотосинтеза је еволуирала у биљкама као начин за хватање и складиштење ове енергије (бит „фото“) и претварање у угљене хидрате (бит „синтезе“). Биљке користе низ протеина и ензима које покреће сунчева светлост за ослобађање електрона, који се заузврат користе за претварање ЦО2 у сложене угљене хидрате. У основи, вештачка фотосинтеза прати исте кораке.
„У природној фотосинтези, која је део природног циклуса угљеника, имамо светлост, ЦО2 и воду који улазе у биљку и биљка производи шећер“, објашњава Фил Де Луна, докторант који ради на Одсеку за електротехнику и рачунарство у универзитету у Торонту. „У вештачкој фотосинтези користимо неорганске уређаје и материјале. Стварни део сакупљања соларне енергије обављају соларне ћелије, а део конверзије енергије се обавља електрохемијским [реакцијама у присуству] катализатора."
Оно што заиста привлачи овај процес је способност производње горива за дуготрајно складиштење енергије. Ово је много више од онога што тренутни обновљиви извори енергије могу да ураде, чак и са новом технологијом батерија. Ако сунце није напољу или ако није ветровит дан, на пример, соларни панели и ветроелектране једноставно престају да производе. „За продужено сезонско складиштење и складиштење у сложеним горивима, потребно нам је боље решење“, каже Де Луна. „Батерије су одличне за сваки дан, за телефоне, па чак и за аутомобиле, али никада нећемо покренути [Боеинг] 747 са батеријом.“
Изазови за решавање
Када је у питању стварање соларних ћелија – први корак у процесу вештачке фотосинтезе – већ имамо развијену технологију: системе за соларну енергију. Међутим, тренутни фотонапонски панели, који су типично системи засновани на полупроводницима, релативно су скупи и неефикасни у поређењу са природом. Потребна је нова технологија; онај који троши далеко мање енергије.
Гери Хејстингс и његов тим са Државног универзитета Џорџије, Атланта, можда су наишли на почетну тачку када су посматрали оригинални процес у биљкама. У фотосинтези, кључна тачка укључује кретање електрона на одређеној удаљености у ћелији. Врло једноставно речено, то је кретање изазвано сунчевом светлошћу које се касније претвара у енергију. Хејстингс је показао да је процес по природи веома ефикасан јер се ови електрони не могу вратити у првобитни положај: „Ако се електрон врати тамо одакле је дошао, тада се губи сунчева енергија.“ Иако је ова могућност ретка у биљкама, то се дешава прилично често у соларним панелима, објашњавајући зашто су мање ефикасни од стварних.
Хејстингс верује да ће ово „истраживање вероватно унапредити технологије соларних ћелија које се односе на производњу хемикалија или горива“, али брзо истиче да је то у овом тренутку само идеја и мало је вероватно да ће се овај напредак догодити у скорије време. „Што се тиче производње потпуно вештачке технологије соларних ћелија која је дизајнирана на основу ових идеја, верујем да је технологија даље у будућности, вероватно не у наредних пет година чак ни за прототип.
Један проблем који истраживачи верују да смо близу решавања укључује други корак у процесу: претварање ЦО2 у гориво. Пошто је овај молекул веома стабилан и потребна је невероватна количина енергије да би се разбио, вештачки систем користи катализаторе да смањи потребну енергију и помогне да се реакција убрза. Међутим, овај приступ доноси свој скуп проблема. Било је много покушаја у протеклих десет година, са катализаторима направљеним од мангана, титанијума и кобалта, али се продужена употреба показала као проблем. Теорија може изгледати добро, али оне престају да раде након неколико сати, постају нестабилне, споре или покрећу друге хемијске реакције које могу оштетити ћелију.
Али чини се да је сарадња између канадских и кинеских истраживача погодила џекпот. Пронашли су начин да комбинују никл, гвожђе, кобалт и фосфор да раде у неутралном пХ, што знатно олакшава рад система. „Пошто наш катализатор може добро да ради у неутралном пХ електролиту, који је неопходан за редукцију ЦО2, можемо покренути електролизу редукције ЦО2 у систему без мембране, а самим тим и напон може да се смањи“, каже Бо Зханг, из Одељење за макромолекуларне науке на Универзитету Фудан, Кина. Са импресивном конверзијом електричне енергије у хемијску од 64%, тим је сада рекордер са највећом ефикасношћу за системе вештачке фотосинтезе.
„Највећи проблем са оним што тренутно имамо је обим“
Због својих напора, тим је стигао до полуфинала на НРГ ЦОСИА Царбон КСПРИЗЕ, што би им могло донети 20 милиона долара за њихово истраживање. Циљ је да се „развије револуционарне технологије које ће претворити емисије ЦО2 из електрана и индустријских објеката у вредне производе“, а са својим побољшаним системима вештачке фотосинтезе, имају добре шансе.
Следећи изазов је скалирање. „Највећи проблем са оним што тренутно имамо је обим. Када се повећамо, губимо ефикасност“, каже Де Луна, која је такође била укључена у Зхангову студију. Срећом, истраживачи нису исцрпили своју листу побољшања и сада покушавају да учине катализаторе ефикаснијим кроз различите композиције и различите конфигурације.
Победа на два фронта
Засигурно још увек има простора за побољшање и краткорочно и дугорочно, али многи сматрају да вештачка фотосинтеза има потенцијал да постане важан алат као чиста и одржива технологија за будућност.
„Невероватно је узбудљиво јер се терен тако брзо креће. Што се тиче комерцијализације, ми смо на прекретници“, каже Де Луна, додајући да ће, да ли ће то функционисати, „зависити од много фактора, који укључују јавну политику и усвајање од стране индустрије да прихвати технологију обновљиве енергије .”
Онда је исправна наука заправо само први корак. Након истраживања попут Хејстингса и Џанга, доћи ће до кључног потеза да се вештачка фотосинтеза апсорбује у нашу глобалну стратегију око обновљиве енергије. Улози су велики. Ако се то извуче, можемо да победимо на два фронта – не само у производњи горива и хемијских производа, већ иу смањењу нашег угљичног отиска у том процесу.