Fotosyntese: grunnleggende mekanisme for livet på denne planeten, svøpe fra GCSE-biologistudenter, og nå en potensiell måte å bekjempe klimaendringer på. Forskere jobber hardt for å utvikle en kunstig metode som etterligner hvordan planter bruker sollys for å transformere CO2 og vann til noe vi kan bruke som drivstoff. Hvis det fungerer, vil det være et vinn-vinn-scenario for oss: ikke bare vil vi dra nytte av fornybar energi produsert på denne måten, men det kan også bli en viktig måte å redusere CO2-nivået i atmosfæren.
Imidlertid tok det planter milliarder av år å utvikle fotosyntese, og det er ikke alltid en lett oppgave å kopiere det som skjer i naturen. For øyeblikket fungerer de grunnleggende trinnene i kunstig fotosyntese, men ikke veldig effektivt. Den gode nyheten er at forskningen på dette feltet øker tempoet, og at det er grupper over hele verden som tar skritt mot å utnytte denne integrerte prosessen.
To-trinns fotosyntese
Fotosyntese handler ikke bare om å fange sollys. En øgle som bader i den varme solen kan gjøre det. Fotosyntese utviklet seg i planter som en måte å fange opp og lagre denne energien (fotobiten) og konvertere den til karbohydrater (syntesebiten). Planter bruker en serie proteiner og enzymer drevet av sollys for å frigjøre elektroner, som igjen brukes til å konvertere CO2 til komplekse karbohydrater. I utgangspunktet følger kunstig fotosyntese de samme trinnene.
Se relaterte lampeinnlegg i London blir til ladepunkter Solenergi i Storbritannia: Hvordan fungerer solenergi og hva er fordelene?
I naturlig fotosyntese, som er en del av den naturlige karbonkretsløpet, har vi lys, CO2 og vann som går inn i planten, og planten lager sukker, forklarer Phil De Luna, en doktorgradskandidat som jobber ved Institutt for elektro- og datateknikk ved universitetet av Toronto. I kunstig fotosyntese bruker vi uorganiske enheter og materialer. Den faktiske solhøstingsdelen utføres av solceller, og energiomdannelsesdelen utføres ved elektrokjemiske [reaksjoner i nærvær av] katalysatorer.
Det som virkelig appellerer til denne prosessen er evnen til å produsere drivstoff for langvarig energilagring. Dette er så mye mer enn hva dagens fornybare energikilder kan gjøre, selv med ny batteriteknologi. Hvis solen ikke er ute, eller hvis det ikke er en vindfull dag, for eksempel, slutter solcellepaneler og vindparker å produsere. For langvarig sesonglagring og lagring i komplekse drivstoff trenger vi en bedre løsning, sier De Luna. Batterier er gode hver dag, til telefoner og til og med for biler, men vi skal aldri kjøre en [Boeing] 747 med batteri.
Utfordringer å løse
Når det gjelder å lage solceller - det første trinnet i prosessen med kunstig fotosyntese - har vi allerede teknologien på plass: solenergisystemer. Nåværende solcelleanlegg, som vanligvis er halvlederbaserte systemer, er imidlertid relativt dyre og ineffektive sammenlignet med naturen. En ny teknologi er nødvendig; en som kaster bort mye mindre energi.
Gary Hastings og teamet hans fra Georgia State University, Atlanta , kan ha snublet på et utgangspunkt når man ser på den opprinnelige prosessen i planter. I fotosyntese innebærer det avgjørende poenget å bevege elektroner over en viss avstand i cellen. I veldig enkle termer er det denne bevegelsen forårsaket av sollys som senere blir omgjort til energi. Hastings viste at prosessen er veldig effektiv i naturen fordi disse elektronene ikke kan gå tilbake til sin opprinnelige posisjon: Hvis elektronet går tilbake til hvor det kom fra, går solenergien tapt. Selv om denne muligheten er sjelden i planter, skjer det ganske ofte i solcellepaneler, og forklarer hvorfor de er mindre effektive enn den virkelige.
Hastings mener at denne forskningen sannsynligvis vil fremme solcelleteknologier relatert til kjemisk produksjon eller drivstoffproduksjon, men han er rask til å påpeke at dette bare er en idé for øyeblikket, og dette fremskrittet vil neppe skje snart. Når det gjelder fremstilling av en fullstendig kunstig solcelle-teknologi som er designet basert på disse ideene, tror jeg at teknologien er lenger unna i fremtiden, sannsynligvis ikke i løpet av de neste fem årene, selv for en prototype.
Ett problem forskere mener vi er nær ved å løse, innebærer det andre trinnet i prosessen: å konvertere CO2 til drivstoff. Ettersom dette molekylet er veldig stabilt og det tar utrolig mye energi å bryte det, bruker det kunstige systemet katalysatorer for å senke den nødvendige energien og bidra til å øke reaksjonen. Imidlertid gir denne tilnærmingen sitt eget sett med problemer. Det har vært mange forsøk de siste ti årene, med katalysatorer laget av mangan, titan og kobolt, men langvarig bruk har vist seg å være et problem. Teorien kan virke bra, men de slutter enten å virke etter noen timer, blir ustabile, sakte eller utløser andre kjemiske reaksjoner som kan skade cellen.
Men et samarbeid mellom kanadiske og kinesiske forskere ser ut til å ha truffet jackpoten . De fant en måte å kombinere nikkel, jern, kobolt og fosfor for å arbeide i en nøytral pH, noe som gjør det enklere å kjøre systemet. Siden katalysatoren vår kan fungere godt i nøytral pH-elektrolytt, som er nødvendig for CO2-reduksjon, kan vi kjøre elektrolyse av CO2-reduksjon i [et] membranfritt system, og dermed kan spenningen reduseres, sier Bo Zhang, fra avdelingen av makromolekylær vitenskap ved Fudan University, Kina. Med en imponerende 64% elektrisk-til-kjemisk kraftkonvertering er teamet nå rekordholdere med høyest effektivitet for kunstige fotosyntese-systemer.
hvordan du oppdaterer youtube-appen på vizio tv
Det største problemet med det vi har akkurat nå er skala
For sin innsats nådde laget semifinalen i NRG COSIA Carbon XPRIZE, som kunne vinne dem 20 millioner dollar for deres forskning. Målet er å utvikle banebrytende teknologier som vil konvertere CO2-utslipp fra kraftverk og industrianlegg til verdifulle produkter, og med forbedrede kunstige fotosyntese-systemer har de en god sjanse.
Neste utfordring er å skalere opp. Det største problemet med det vi har akkurat nå er skala. Når vi skalerer, ender vi opp med å miste effektivitet, sier De Luna, som også var involvert i Zhangs studie. Heldigvis har forskere ikke brukt opp listen over forbedringer, og prøver nå å gjøre katalysatorer mer effektive gjennom forskjellige sammensetninger og forskjellige konfigurasjoner.
Vinner på to fronter
Det er absolutt fremdeles rom for forbedring både på kort og lang sikt, men mange føler at kunstig fotosyntese har potensial til å bli et viktig verktøy som en ren og bærekraftig teknologi for fremtiden.
Det er utrolig spennende fordi feltet beveger seg så raskt. Når det gjelder kommersialisering, er vi på tippepunktet, sier De Luna, og legger til at om det fungerer kommer det til å avhenge av mange faktorer, som inkluderer offentlig politikk og vedtakelse av industrien for å godta fornybar energiteknologi.
Å få vitenskapen riktig er egentlig bare det første trinnet. I kjølvannet av forskning fra slike som Hastings og Zhang vil det avgjørende trekket for å absorbere kunstig fotosyntese inn i vår globale strategi rundt fornybar energi. Innsatsen er høy. Hvis det trekker gjennom, står vi for å vinne på to fronter - ikke bare produserer drivstoff og kjemiske produkter, men reduserer også karbonavtrykket vårt i prosessen.
