Fotosynteza: fundamentalny mechanizm życia na tej planecie, plaga studentów biologii GCSE, a teraz potencjalny sposób na walkę ze zmianami klimatu. Naukowcy ciężko pracują, aby opracować sztuczną metodę, która naśladuje sposób, w jaki rośliny wykorzystują światło słoneczne do przekształcania CO2 i wody w coś, co możemy wykorzystać jako paliwo. Jeśli to zadziała, będzie to dla nas scenariusz korzystny dla wszystkich: nie tylko skorzystamy z energii odnawialnej wyprodukowanej w ten sposób, ale może ona również stać się ważnym sposobem na zmniejszenie poziomu CO2 w atmosferze.
Jednak rozwój fotosyntezy zajęło roślinom miliardy lat, a odtworzenie tego, co dzieje się w naturze, nie zawsze jest łatwym zadaniem. W tej chwili podstawowe etapy sztucznej fotosyntezy działają, ale niezbyt wydajnie. Dobrą wiadomością jest to, że badania w tej dziedzinie nabierają tempa i istnieją grupy na całym świecie podejmujące kroki w celu wykorzystania tego integralnego procesu.
Fotosynteza dwuetapowa
Fotosynteza to nie tylko przechwytywanie światła słonecznego. Może to zrobić jaszczurka kąpiąca się w ciepłym słońcu. Fotosynteza wyewoluowała w roślinach jako sposób na wychwytywanie i przechowywanie tej energii (bit „foto”) i przekształcanie jej w węglowodany (bit „synteza”). Rośliny wykorzystują szereg białek i enzymów zasilanych światłem słonecznym do uwalniania elektronów, które z kolei są wykorzystywane do przekształcania CO2 w złożone węglowodany. Zasadniczo sztuczna fotosynteza przebiega według tych samych kroków.
„W naturalnej fotosyntezie, która jest częścią naturalnego obiegu węgla, światło, CO2 i woda trafiają do rośliny, a roślina wytwarza cukier” – wyjaśnia Phil De Luna, doktorant pracujący na Wydziale Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej na Uniwersytet w Toronto. „W sztucznej fotosyntezie używamy urządzeń i materiałów nieorganicznych. Właściwa część pozyskiwania energii słonecznej odbywa się za pomocą ogniw słonecznych, a część konwersji energii odbywa się za pomocą elektrochemicznych [reakcji w obecności] katalizatorów”.
To, co naprawdę przemawia do tego procesu, to możliwość produkcji paliwa do długoterminowego przechowywania energii. To znacznie więcej niż to, co mogą zrobić obecne odnawialne źródła energii, nawet przy powstającej technologii akumulatorów. Jeśli na przykład słońce nie świeci lub nie jest wietrzny dzień, panele słoneczne i farmy wiatrowe po prostu przestają produkować. „W przypadku przedłużonego sezonowego przechowywania i przechowywania w złożonych paliwach potrzebujemy lepszego rozwiązania”, mówi De Luna. „Baterie są świetne na co dzień, do telefonów, a nawet do samochodów, ale nigdy nie będziemy uruchamiać [Boeinga] 747 z baterią”.
Wyzwania do rozwiązania
Jeśli chodzi o tworzenie ogniw słonecznych – pierwszy krok w procesie sztucznej fotosyntezy – mamy już wdrożoną technologię: systemy energii słonecznej. Jednak obecne panele fotowoltaiczne, które są zazwyczaj systemami półprzewodnikowymi, są stosunkowo drogie i nieefektywne w porównaniu z naturą. Potrzebna jest nowa technologia; taki, który marnuje znacznie mniej energii.
Gary Hastings i jego zespół z Georgia State University w Atlancie mogli natknąć się na punkt wyjścia, patrząc na pierwotny proces zachodzący w roślinach. W fotosyntezie kluczowym punktem jest przemieszczanie elektronów na pewną odległość w komórce. Mówiąc bardzo prosto, to ten ruch spowodowany światłem słonecznym jest później przekształcany w energię. Hastings wykazał, że proces ten jest bardzo wydajny z natury, ponieważ elektrony te nie mogą wrócić do swojej pierwotnej pozycji: „Jeśli elektron wróci tam, skąd pochodzi, energia słoneczna jest tracona”. Chociaż taka możliwość jest rzadka w roślinach, zdarza się to dość często w panelach słonecznych, co wyjaśnia, dlaczego są mniej wydajne niż w rzeczywistości.
Hastings uważa, że te „badania prawdopodobnie przyczynią się do rozwoju technologii ogniw słonecznych związanych z produkcją chemiczną lub paliwową”, ale szybko zwraca uwagę, że w tej chwili jest to tylko pomysł i jest mało prawdopodobne, aby postęp ten nastąpił w najbliższym czasie. „Jeśli chodzi o wytwarzanie w pełni sztucznej technologii ogniw słonecznych, zaprojektowanej w oparciu o te pomysły, uważam, że technologia jest dalej w przyszłości, prawdopodobnie nie w ciągu najbliższych pięciu lat, nawet w przypadku prototypu”.
Jeden z badaczy, który uważa, że jesteśmy blisko rozwiązania, obejmuje drugi etap procesu: przekształcenie CO2 w paliwo. Ponieważ ta cząsteczka jest bardzo stabilna i jej rozbicie wymaga niewiarygodnej ilości energii, sztuczny system wykorzystuje katalizatory, aby obniżyć wymaganą energię i przyspieszyć reakcję. Jednak takie podejście niesie ze sobą własny zestaw problemów. W ciągu ostatnich dziesięciu lat podjęto wiele prób z katalizatorami wykonanymi z manganu, tytanu i kobaltu, ale długotrwałe stosowanie okazało się problemem. Teoria może wydawać się dobra, ale albo przestają działać po kilku godzinach, stają się niestabilne, powolne lub wywołują inne reakcje chemiczne, które mogą uszkodzić komórkę.
Wydaje się jednak, że współpraca między kanadyjskimi i chińskimi badaczami była strzałem w dziesiątkę. Znaleźli sposób na połączenie niklu, żelaza, kobaltu i fosforu do pracy w neutralnym pH, co znacznie ułatwia obsługę systemu. „Ponieważ nasz katalizator może dobrze działać w elektrolicie o neutralnym pH, który jest niezbędny do redukcji CO2, możemy przeprowadzić elektrolizę redukcji CO2 w systemie [a] bez membrany, a tym samym można obniżyć napięcie”, mówi Bo Zhang, z Wydział Nauk Makromolekularnych na Uniwersytecie Fudan w Chinach. Dzięki imponującemu 64% konwersji energii elektrycznej na chemiczną, zespół jest obecnie rekordzistą z najwyższą wydajnością systemów sztucznej fotosyntezy.
„Największym problemem z tym, co mamy w tej chwili, jest skala”
Dzięki swoim wysiłkom zespół dotarł do półfinału konkursu NRG COSIA Carbon XPRIZE, który może wygrać 20 milionów dolarów na badania. Celem jest „opracowanie przełomowych technologii, które przekształcą emisje CO2 z elektrowni i obiektów przemysłowych w wartościowe produkty”, a dzięki ulepszonym systemom sztucznej fotosyntezy mają duże szanse.
Kolejnym wyzwaniem jest zwiększenie skali. „Największym problemem z tym, co mamy teraz, jest skala. Kiedy zwiększamy skalę, tracimy wydajność” – mówi De Luna, który był również zaangażowany w badanie Zhanga. Na szczęście naukowcy nie wyczerpali listy ulepszeń i teraz starają się uczynić katalizatory bardziej wydajnymi dzięki różnym składom i różnym konfiguracjom.
Zwycięstwo na dwóch frontach
Z pewnością wciąż jest miejsce na ulepszenia zarówno w perspektywie krótko-, jak i długoterminowej, ale wielu uważa, że sztuczna fotosynteza ma potencjał, aby stać się ważnym narzędziem jako czysta i zrównoważona technologia na przyszłość.
„To niesamowicie ekscytujące, ponieważ boisko porusza się tak szybko. Jeśli chodzi o komercjalizację, jesteśmy w punkcie krytycznym”, mówi De Luna, dodając, że to, czy działa, „będzie zależeć od wielu czynników, w tym polityki publicznej i przyjęcia przez branżę technologii energii odnawialnej ”.
Właściwa nauka to dopiero pierwszy krok. W następstwie badań takich jak Hastings i Zhang nadejdzie kluczowy krok, aby wchłonąć sztuczną fotosyntezę do naszej globalnej strategii dotyczącej energii odnawialnej. Stawka jest wysoka. Jeśli się uda, możemy wygrać na dwóch frontach – nie tylko produkując paliwa i produkty chemiczne, ale także zmniejszając nasz ślad węglowy w tym procesie.