A fotoszintézis: az élet alapvető mechanizmusa ezen a bolygón, a GCSE biológus hallgatóinak csapása, és most a klímaváltozás elleni küzdelem lehetséges módja. A tudósok keményen dolgoznak egy olyan mesterséges módszer kidolgozásán, amely utánozza, hogy a növények hogyan használják a napfényt a CO2 és a víz átalakítására olyanná, amelyet üzemanyagként használhatunk. Ha működik, akkor ez egy nyereséges forgatókönyv lesz számunkra: nem csak hasznunkra válik az ilyen módon előállított megújuló energia, hanem a légkör CO2-szintjének csökkentésének fontos módjává is válhat.
A fotoszintézis kifejlesztéséhez azonban a növényeknek milliárd évekre volt szükségük, és nem mindig könnyű feladat megismételni a természetben történteket. Jelenleg a mesterséges fotoszintézis alapvető lépései működnek, de nem túl hatékonyan. Jó hír, hogy az ezen a területen folytatott kutatások felgyorsulnak, és világszerte vannak olyan csoportok, amelyek lépéseket tesznek ennek az integrált folyamatnak a kiaknázása érdekében.
Kétlépéses fotoszintézis
A fotoszintézis nem csak a napfény megragadásáról szól. A meleg napon fürdő gyík erre képes. A növényekben a fotoszintézis úgy alakult ki, hogy megragadja és tárolja ezt az energiát (a fotó bitet), és szénhidrátokká alakítja (a szintézis bit). A növények a napfénytől hajtott fehérjék és enzimek sorozatát használják fel az elektronok felszabadítására, amelyeket viszont a CO2 komplex szénhidrátokká alakítására használnak. Alapvetően a mesterséges fotoszintézis ugyanazokat a lépéseket követi.
Lásd a kapcsolódó lámpaoszlopokat Londonban töltési pontokká alakítják. Napenergia az Egyesült Királyságban: Hogyan működik a napenergia és milyen előnyei vannak?
A természetes fotoszintézis során, amely a természetes szénforgalom része, fény, CO2 és víz jut az üzembe, és a növény cukrot termel - magyarázza Phil De Luna, az egyetem villamosmérnöki és számítástechnikai tanszékén dolgozó doktorjelölt. torontói. A mesterséges fotoszintézis során szervetlen eszközöket és anyagokat használunk. A tényleges napkivételi részt napelemek, az energiaátalakítási részt pedig elektrokémiai [reakciók jelenlétében] katalizátorok végzik.
Ami igazán vonzza ezt a folyamatot, az az üzemanyag előállításának képessége, amely hosszú távú energiatárolásra szolgál. Ez sokkal több, mint amit a jelenlegi megújuló energiaforrások képesek megtenni, még a feltörekvő akkumulátor-technológiával is. Ha például nincs a nap, vagy ha nincs szeles nap, akkor a napelemek és a szélerőművek egyszerűen leállítják a termelést. Hosszabb szezonális tároláshoz és komplex üzemanyagok tárolásához jobb megoldásra van szükségünk - mondja De Luna. Az akkumulátorok kiválóak mindennap, telefonok és akár autók számára is, de soha nem fogunk akkumulátorral működtetni egy [Boeing] 747-et.
Megoldandó kihívások
A napelemek létrehozásával kapcsolatban - a mesterséges fotoszintézis folyamatának első lépéseként - már megvan a technológia: a napenergia-rendszerek. A jelenlegi fotovoltaikus panelek azonban, amelyek jellemzően félvezető-alapú rendszerek, viszonylag drágák és nem hatékonyak a természethez képest. Új technológiára van szükség; amely sokkal kevesebb energiát pazarol el.
Gary Hastings és csapata Georgia Állami Egyetem, Atlanta , a kezdeti pontba botolhatott, amikor a növényekben az eredeti folyamatot vizsgálta. A fotoszintézis során a kulcsfontosságú pont az elektronok mozgatását jelenti a sejt bizonyos távolságán. Nagyon leegyszerűsítve: ez a napfény okozta mozgás válik később energiává. Hastings kimutatta, hogy a folyamat nagyon hatékony a természetben, mert ezek az elektronok nem tudnak visszatérni eredeti helyzetükbe: Ha az elektron visszatér oda, ahonnan jött, akkor a napenergia elvész. Noha ez a lehetőség ritka a növényekben, a napelemekben meglehetősen gyakran előfordul, megmagyarázva, hogy miért kevésbé hatékonyak, mint az igazi.
Hastings úgy véli, hogy ez a kutatás valószínűleg elősegíti a vegyi vagy üzemanyag-előállítással kapcsolatos napelemes technológiákat, de gyorsan rámutat, hogy ez egyelőre csak ötlet, és ez az előrelépés valószínűleg nem fog hamarosan bekövetkezni. Ami egy teljesen mesterséges napelem-technológia előállítását illeti, amelyet ezekre az elképzelésekre terveztek, úgy gondolom, hogy a technológia a jövőben még távolabb áll, valószínűleg egy prototípus esetében sem a következő öt évben.
Az egyik probléma, amelyet a kutatók úgy vélnek, hogy közel állunk a megoldáshoz, magában foglalja a folyamat második lépését: a CO2 üzemanyaggá történő átalakítását. Mivel ez a molekula nagyon stabil és hihetetlen mennyiségű energiára van szükség annak megszakításához, a mesterséges rendszer katalizátorokkal csökkenti a szükséges energiát és elősegíti a reakció felgyorsulását. Ez a megközelítés azonban meghozza a maga problémakörét. Az elmúlt tíz évben számos kísérlet történt, mangánból, titánból és kobaltból készült katalizátorokkal, de a hosszan tartó használat problémának bizonyult. Az elmélet jónak tűnhet, de néhány óra múlva vagy abbahagyja a munkát, instabillá válik, lassúvá válik, vagy más kémiai reakciókat vált ki, amelyek károsíthatják a sejtet.
De úgy tűnik, kanadai és kínai kutatók közötti együttműködés elérte a főnyereményt . Megtalálták a nikkel, a vas, a kobalt és a foszfor ötvözésének módját semleges pH-értékű munkához, ami jelentősen megkönnyíti a rendszer működtetését. Mivel katalizátorunk jól képes működni semleges pH-értékű elektrolitban, ami szükséges a CO2-redukcióhoz, futtathatjuk a CO2-redukció elektrolízisét membránmentes rendszerben, és ezáltal csökkenthető a feszültség - mondja Bo Zhang, az osztálytól a Fudan Egyetemen, Kínában. A lenyűgöző, 64% -os elektromos-kémiai energiaátalakítással a csapat a mesterséges fotoszintézis rendszerek legnagyobb hatékonyságával rendelkező rekordtulajdonos.
hogyan lehet törölni a spotify-fiókját
A legnagyobb kérdés, hogy mi van jelenleg, a méret
Erőfeszítéseikért a csapat az elődöntőbe jutott az NRG COSIA Carbon XPRIZE versenyen, amely 20 millió dollárt nyerhet nekik kutatásaikért. A cél olyan áttörő technológiák kifejlesztése, amelyek az erőművek és az ipari létesítmények CO2-kibocsátását értékes termékekké alakítják, és továbbfejlesztett mesterséges fotoszintézis rendszereikkel jó esélyekkel rendelkeznek.
A következő kihívás a méret növelése. A legnagyobb kérdés, hogy jelenleg mi van, a méret. Ha nagyobbra bővítjük, végül elveszítjük a hatékonyságot - mondja De Luna, aki szintén részt vett Zhang tanulmányában. Szerencsére a kutatók nem merítették ki a fejlesztések listáját, és most különböző kompozíciókkal és különböző konfigurációkkal próbálják hatékonyabbá tenni a katalizátorokat.
Két fronton nyerni
Röviden és hosszú távon még mindig van mit javítani, de sokan úgy érzik, hogy a mesterséges fotoszintézis potenciálisan fontos eszközzé válhat, mint tiszta és fenntartható technológia a jövőben.
Hihetetlenül izgalmas, mert a mező olyan gyorsan mozog. Ami a kereskedelmet illeti, a küszöbön vagyunk, mondja De Luna, hozzátéve, hogy az, hogy működik-e, sok tényezőtől függ, köztük a közpolitikától és az ipar általi elfogadásától a megújuló energiák technológiájának elfogadásához.
A tudomány helyrehozása tehát valójában csak az első lépés. Hastings és Zhang, például Hastings és Zhang kutatása nyomán döntő lépés lesz a mesterséges fotoszintézis befogadása a megújuló energiával kapcsolatos globális stratégiánkba. Nagy a tét. Ha ez áthúzódik, két fronton nyerünk - nemcsak üzemanyagok és vegyi termékek előállítása, hanem a folyamat során csökkentjük a szén-dioxid-kibocsátásunkat is.
