Фотосинтез: фундаментальний механізм життя на цій планеті, біда студентів біології GCSE, а тепер потенційний спосіб боротьби зі зміною клімату. Вчені наполегливо працюють над розробкою штучного методу, який імітує те, як рослини використовують сонячне світло для перетворення CO2 і води на те, що ми можемо використовувати як паливо. Якщо це спрацює, це буде для нас безпрограшний сценарій: ми не тільки отримаємо вигоду від відновлюваної енергії, виробленої таким чином, але це також може стати важливим способом зниження рівня CO2 в атмосфері.
Однак рослинам знадобилися мільярди років, щоб розвинути фотосинтез, і не завжди легко відтворити те, що відбувається в природі. На даний момент основні етапи штучного фотосинтезу працюють, але не дуже ефективно. Хороша новина полягає в тому, що дослідження в цій галузі набирають темпів, і є групи по всьому світу, які роблять кроки до використання цього цілісного процесу.
Двоетапний фотосинтез
Фотосинтез – це не лише захоплення сонячного світла. Це може зробити ящірка, що купається під теплим сонцем. Фотосинтез розвивався в рослинах як спосіб захоплення та зберігання цієї енергії (розряд «фото») і перетворення її у вуглеводи (біт «синтез»). Рослини використовують ряд білків і ферментів, які живляться сонячним світлом, щоб вивільнити електрони, які, у свою чергу, використовуються для перетворення CO2 на складні вуглеводи. В основному, штучний фотосинтез відбувається за тими ж кроками.
«У природному фотосинтезі, який є частиною природного циклу вуглецю, ми отримуємо світло, CO2 та воду, які надходять до рослини, і рослина виробляє цукор», – пояснює Філ Де Луна, кандидат наук, який працює на кафедрі електротехніки та комп’ютерної техніки в університет Торонто. «У штучному фотосинтезі ми використовуємо неорганічні пристрої та матеріали. Фактична частина сонячного збору здійснюється сонячними елементами, а частина перетворення енергії здійснюється за допомогою електрохімічних [реакцій у присутності] каталізаторів».
Що дійсно приваблює в цьому процесі, так це здатність виробляти паливо для тривалого зберігання енергії. Це набагато більше, ніж можуть зробити нинішні відновлювані джерела енергії, навіть за допомогою нових технологій акумуляторів. Наприклад, якщо сонця немає або якщо день не вітряний, сонячні панелі та вітрові електростанції просто припиняють виробництво. «Для тривалого сезонного зберігання та зберігання в складних видах палива нам потрібне краще рішення», – каже Де Луна. «Акумулятори чудово підходять для повсякденного використання, для телефонів і навіть для автомобілів, але ми ніколи не будемо запускати [Boeing] 747 з акумулятором».
Проблеми для вирішення
Коли справа доходить до створення сонячних елементів – першого кроку в процесі штучного фотосинтезу – у нас вже є технологія: системи сонячної енергії. Однак сучасні фотоелектричні панелі, які, як правило, є напівпровідниковими системами, відносно дорогі та неефективні порівняно з природою. Потрібна нова технологія; такий, який витрачає набагато менше енергії.
Гарі Гастінгс та його команда з Університету штату Джорджія в Атланті, можливо, натрапили на вихідну точку, розглядаючи оригінальний процес у рослинах. У фотосинтезі вирішальним моментом є переміщення електронів на певну відстань у клітині. Простіше кажучи, саме цей рух, викликаний сонячним світлом, пізніше перетворюється в енергію. Гастінгс показав, що процес є дуже ефективним за своєю природою, оскільки ці електрони не можуть повернутися у вихідне положення: «Якщо електрон повертається туди, звідки він прийшов, то сонячна енергія втрачається». Хоча така можливість рідко зустрічається на рослинах, вона досить часто трапляється в сонячних панелях, що пояснює, чому вони менш ефективні, ніж реальні.
Гастінгс вважає, що ці «дослідження, ймовірно, сприятимуть розвитку технологій сонячних батарей, пов’язаних із виробництвом хімічних речовин або палива», але він поспішає відзначити, що наразі це лише ідея, і навряд чи цей прогрес відбудеться найближчим часом. «З точки зору виготовлення повністю штучної технології сонячних батарей, яка розроблена на основі цих ідей, я вважаю, що ця технологія в майбутньому, ймовірно, не протягом наступних п’яти років навіть для прототипу».
Одна з проблем, на думку дослідників, ми близькі до вирішення, включає другий крок у цьому процесі: перетворення CO2 на паливо. Оскільки ця молекула дуже стабільна і для її руйнування потрібна неймовірна кількість енергії, штучна система використовує каталізатори, щоб знизити необхідну енергію і прискорити реакцію. Однак такий підхід створює свої проблеми. За останні десять років було багато спроб з каталізаторами, виготовленими з марганцю, титану та кобальту, але тривале використання виявилося проблемою. Теорія може здатися хорошою, але вони або перестають працювати через кілька годин, стають нестабільними, повільними або викликають інші хімічні реакції, які можуть пошкодити клітину.
Але співпраця між канадськими та китайськими дослідниками, здається, виграла джекпот. Вони знайшли спосіб поєднати нікель, залізо, кобальт і фосфор для роботи з нейтральним pH, що значно полегшує роботу системи. «Оскільки наш каталізатор може добре працювати в електроліті з нейтральним pH, який необхідний для зменшення СО2, ми можемо запустити електроліз відновлення СО2 у безмембранній системі, а отже, напругу можна знизити», – говорить Бо Чжан з кафедра макромолекулярних наук Університету Фудань, Китай. Завдяки вражаючому 64% перетворення електроенергії в хімічну, команда зараз є рекордсменами з найвищою ефективністю для систем штучного фотосинтезу.
«Найбільша проблема з тим, що ми маємо зараз, — це масштаб»
За свої зусилля команда дійшла до півфіналу в NRG COSIA Carbon XPRIZE, що може виграти 20 мільйонів доларів за дослідження. Мета полягає в «розробці проривних технологій, які перетворюють викиди CO2 від електростанцій та промислових об’єктів у цінні продукти», а завдяки вдосконаленим системам штучного фотосинтезу вони мають хороші шанси.
Наступна проблема – це розширення. «Найбільша проблема з тим, що ми маємо зараз, — це масштаб. Коли ми розширюємося, ми втрачаємо ефективність», — каже Де Луна, який також брав участь у дослідженні Чжан. На щастя, дослідники не вичерпали свій список удосконалень і тепер намагаються зробити каталізатори більш ефективними за допомогою різних композицій і різних конфігурацій.
Перемога на двох фронтах
Безумовно, є ще куди вдосконалюватися як у короткостроковій, так і в довгостроковій перспективі, але багато хто вважає, що штучний фотосинтез має потенціал стати важливим інструментом як чиста та стійка технологія майбутнього.
«Це неймовірно захоплююче, тому що поле рухається так швидко. З точки зору комерціалізації, ми знаходимося на переломному етапі», — каже Де Луна, додаючи, що чи це спрацює, «залежить від багатьох факторів, серед яких державна політика та прийняття індустрією технології відновлюваної енергії. ».
Отже, правильна наука – це лише перший крок. На хвилі досліджень, таких як Гастінгс і Чжан, буде здійснено вирішальний крок щодо включення штучного фотосинтезу в нашу глобальну стратегію щодо відновлюваної енергії. Ставки високі. Якщо це вдасться, ми виграємо на двох фронтах – не тільки виробляючи паливо та хімічну продукцію, а й зменшуємо вуглецевий слід у процесі.
