Fotosintēze: fundamentāls dzīves mehānisms uz šīs planētas, GCSE bioloģijas studentu posts un tagad potenciāls veids, kā cīnīties ar klimata pārmaiņām. Zinātnieki smagi strādā, lai izstrādātu mākslīgu metodi, kas atdarina to, kā augi izmanto saules gaismu, lai CO2 un ūdeni pārveidotu par kaut ko tādu, ko mēs varam izmantot kā degvielu. Ja tas darbosies, tas būs scenārijs, kas mums ir izdevīgs: mēs ne tikai gūsim labumu no šādi ražotas atjaunojamās enerģijas, bet tas arī varētu kļūt par svarīgu veidu, kā samazināt CO2 līmeni atmosfērā.
Tomēr augiem bija nepieciešami miljardiem gadu, lai izveidotu fotosintēzi, un ne vienmēr ir viegli atkārtot to, kas notiek dabā. Šobrīd mākslīgās fotosintēzes pamata darbības darbojas, taču ne pārāk efektīvi. Labā ziņa ir tā, ka pētījumi šajā jomā paātrina tempu, un visā pasaulē ir grupas, kas sper soļus, lai izmantotu šo neatņemamo procesu.
Divpakāpju fotosintēze
Fotosintēze nav tikai saules gaismas uztveršana. Ķirzaka, kas peldas siltā saulē, to var izdarīt. Fotosintēze augos attīstījās kā veids, kā uztvert un uzglabāt šo enerģiju (foto bitu) un pārvērst to ogļhidrātos (sintēzes bits). Augi izmanto virkni olbaltumvielu un enzīmu, ko darbina saules gaisma, lai atbrīvotu elektronus, kurus savukārt izmanto, lai CO2 pārveidotu par sarežģītiem ogļhidrātiem. Būtībā mākslīgā fotosintēze notiek vienādi.
Skatīt saistītos lampu stabus Londonā pārvērš uzlādes punktos. Saules enerģija Lielbritānijā: kā darbojas saules enerģija un kādas ir tās priekšrocības?
Dabiskajā fotosintēzē, kas ir daļa no dabiskā oglekļa aprites, mums augā nonāk gaisma, CO2 un ūdens, un iekārta ražo cukuru, skaidro PhD De Luna, PhD kandidāts, kurš strādā Universitātes Elektrotehnikas un datortehnikas katedrā. Toronto. Mākslīgajā fotosintēzē mēs izmantojam neorganiskas ierīces un materiālus. Faktisko saules ievākšanas daļu veic saules baterijas, un enerģijas pārveidošanas daļu veic ar elektroķīmiskām [reakcijām katalizatoru klātbūtnē].
Kas patiešām patīk šim procesam, ir spēja ražot degvielu ilgtermiņa enerģijas uzkrāšanai. Tas ir daudz vairāk nekā pašreizējie atjaunojamie enerģijas avoti, pat izmantojot jauno akumulatoru tehnoloģiju. Piemēram, ja nav saules vai nav vējaina diena, piemēram, saules paneļi un vēja parki vienkārši pārtrauc ražošanu. Ilgstošai sezonālai uzglabāšanai un uzglabāšanai sarežģītā degvielā mums ir nepieciešams labāks risinājums, saka De Luna. Baterijas ir lieliski piemērotas katru dienu, tālruņiem un pat automašīnām, taču mēs nekad nedarbosimies ar [Boeing] 747 ar akumulatoru.
Risināmie izaicinājumi
Kad runa ir par saules bateriju izveidošanu - pirmais solis mākslīgās fotosintēzes procesā - mums jau ir ieviesta tehnoloģija: saules enerģijas sistēmas. Tomēr pašreizējie fotoelementu paneļi, kas parasti ir pusvadītāju sistēmas, salīdzinoši ar dabu ir salīdzinoši dārgi un neefektīvi. Nepieciešama jauna tehnoloģija; tādu, kas tērē daudz mazāk enerģijas.
Gerijs Heistings un viņa komanda no Džordžijas štata universitāte, Atlanta , iespējams, paklupa uz sākuma punktu, aplūkojot sākotnējo procesu augos. Fotosintēzē izšķirošais punkts ir elektronu pārvietošana noteiktā attālumā šūnā. Ļoti vienkārši sakot, tā ir saules gaismas izraisītā kustība, kas vēlāk tiek pārveidota enerģijā. Hastings parādīja, ka process pēc būtības ir ļoti efektīvs, jo šie elektroni nevar atgriezties sākotnējā stāvoklī: Ja elektrons atgriežas tur, no kurienes tas ir, tad saules enerģija tiek zaudēta. Lai gan augos šī iespēja ir reta, saules paneļos tā notiek diezgan bieži, paskaidrojot, kāpēc tie ir mazāk efektīvi nekā reālie.
Hastings uzskata, ka šis pētījums, visticamāk, sekmēs saules bateriju tehnoloģijas, kas saistītas ar ķīmisko vielu vai degvielas ražošanu, taču viņš ātri norāda, ka tā pašlaik ir tikai ideja, un maz ticams, ka šī virzība notiks drīz. Runājot par pilnīgi mākslīgas saules bateriju tehnoloģijas izgatavošanu, kas izstrādāta, balstoties uz šīm idejām, es uzskatu, ka nākotnē tehnoloģija ir tālāk, iespējams, tuvāko piecu gadu laikā pat prototipam.
Viena problēma, pēc kuras pētnieki uzskata, ka esam tuvu risinājumam, ietver procesa otro soli: CO2 pārveidošanu par degvielu. Tā kā šī molekula ir ļoti stabila un tās sadalīšanai ir nepieciešams neticami daudz enerģijas, mākslīgā sistēma izmanto katalizatorus, lai samazinātu nepieciešamo enerģiju un palīdzētu paātrināt reakciju. Tomēr šī pieeja rada savas problēmas. Pēdējo desmit gadu laikā ir bijuši daudzi mēģinājumi ar katalizatoriem, kas izgatavoti no mangāna, titāna un kobalta, taču ilgstoša lietošana ir sevi pierādījusi kā problēmu. Teorija var šķist laba, taču tās vai nu pārtrauc darboties pēc dažām stundām, kļūst nestabilas, lēnas vai izraisa citas ķīmiskas reakcijas, kas var sabojāt šūnu.
Bet Kanādas un Ķīnas pētnieku sadarbība, šķiet, ir sasniegusi džekpotu . Viņi atrada veidu, kā savienot niķeli, dzelzi, kobaltu un fosforu darbam neitrālā pH līmenī, kas ievērojami atvieglo sistēmas darbību. Tā kā mūsu katalizators var labi darboties neitrālā pH elektrolītā, kas nepieciešams CO2 samazināšanai, mēs varam veikt CO2 samazināšanas elektrolīzi bez membrānām un tādējādi spriegumu var samazināt, saka Bo Zhang no departamenta Ķīnas Fudanas universitātes makromolekulāro zinātņu katedra. Ar iespaidīgu elektrisko-ķīmisko enerģijas pārveidošanu par 64%, komanda tagad ir rekordistu īpašnieki ar visaugstāko mākslīgās fotosintēzes sistēmu efektivitāti.
viens no maniem lidlaukiem pārstāja darboties
Lielākais jautājums par to, kas mums šobrīd ir, ir mērogs
Par viņu centieniem komanda sasniedza pusfinālu sacensībās NRG COSIA Carbon XPRIZE, kas viņiem varētu nopelnīt 20 miljonus ASV dolāru par viņu pētījumu. Mērķis ir attīstīt progresīvas tehnoloģijas, kas pārveidos elektrostaciju un rūpniecības objektu CO2 emisijas par vērtīgiem produktiem, un ar uzlabotajām mākslīgās fotosintēzes sistēmām tām ir labas izredzes.
Nākamais izaicinājums ir palielināt. Lielākais jautājums par to, kas mums šobrīd ir, ir mērogs. Kad mēs palielinām, mēs galu galā zaudējam efektivitāti, saka De Luna, kurš arī bija iesaistīts Džana pētījumā. Par laimi, pētnieki nav izsmēluši savu uzlabojumu sarakstu, un tagad mēģina padarīt katalizatorus efektīvākus, izmantojot dažādas kompozīcijas un dažādas konfigurācijas.
Uzvara divās frontēs
Gan īstermiņā, gan ilgtermiņā noteikti vēl var uzlabot, taču daudzi uzskata, ka mākslīgā fotosintēze var kļūt par svarīgu instrumentu kā tīru un ilgtspējīgu tehnoloģiju nākotnē.
Tas ir neticami aizraujoši, jo lauks pārvietojas tik ātri. Runājot par komercializāciju, mēs esam nonākuši pie kritiena, saka De Luna, piebilstot, ka tas, vai tas darbojas, būs atkarīgs no daudziem faktoriem, tostarp valsts politikas un nozares pieņēmuma pieņemt atjaunojamās enerģijas tehnoloģijas.
Tad zinātnes pareizība ir tikai pirmais solis. Pēc Hastingsa un Džana līdzīgu pētījumu rezultātiem būs izšķirošais solis mākslīgās fotosintēzes absorbēšanai mūsu globālajā stratēģijā par atjaunojamo enerģiju. Likme ir liela. Ja tas izdosies, mēs uzvarēsim divās jomās - ne tikai ražojot degvielu un ķīmiskos produktus, bet arī samazinot oglekļa emisiju šajā procesā.
