Fotosynteesi: perustavanlaatuinen mekanismi elämälle tällä planeetalla, GCSE-biologian opiskelijoiden vitsaus ja nyt potentiaalinen tapa torjua ilmastonmuutosta. Tutkijat tekevät kovasti töitä keinotekoisen menetelmän kehittämiseksi, joka jäljittelee sitä, kuinka kasvit käyttävät auringonvaloa muuntamaan hiilidioksidia ja vettä sellaiseksi, mitä voimme käyttää polttoaineena. Jos se toimii, se on meille win-win-skenaario: hyötymme paitsi tällä tavoin tuotetusta uusiutuvasta energiasta myös siitä, että siitä voi tulla tärkeä tapa vähentää ilmakehän CO2-tasoja.
Kasveilla kesti kuitenkin miljardeja vuosia kehittää fotosynteesi, eikä aina ole helppo tehtävä jäljitellä sitä, mitä luonnossa tapahtuu. Tällä hetkellä keinotekoisen fotosynteesin perusvaiheet toimivat, mutta eivät kovin tehokkaasti. Hyvä uutinen on, että tämän alan tutkimus on vauhdittamassa ja ympäri maailmaa on ryhmiä, jotka toteuttavat askelia tämän integraalisen prosessin hyödyntämiseksi.
Kaksivaiheinen fotosynteesi
Fotosynteesi ei ole vain auringonvalon sieppaamista. Lisko, joka ui lämpimässä auringossa, voi tehdä sen. Fotosynteesi kehittyi kasveissa keinona siepata ja varastoida tämä energia (valokuvabitti) ja muuttaa se hiilihydraateiksi (synteesibitti). Kasvit käyttävät joukkoa auringonvalosta toimivia proteiineja ja entsyymejä elektronien vapauttamiseksi, joita puolestaan käytetään muuntamaan CO2 monimutkaisiksi hiilihydraateiksi. Pohjimmiltaan keinotekoinen fotosynteesi seuraa samoja vaiheita.
Katso asiaan liittyvät Lontoon lamppupylväät muuttuvat latauspisteiksi Aurinkoenergia Isossa-Britanniassa: Kuinka aurinkoenergia toimii ja mitkä ovat sen edut?
Luonnollisessa fotosynteesissä, joka on osa luonnollista hiilenkiertoa, laitokseen menee valoa, hiilidioksidia ja vettä, ja kasvi tuottaa sokeria, kertoo yliopiston sähkö- ja tietotekniikan laitoksella työskentelevä tohtorikoulutettava Phil De Luna. Torontossa. Keinotekoisessa fotosynteesissä käytämme epäorgaanisia laitteita ja materiaaleja. Varsinainen aurinkokeräysosa tehdään aurinkokennoilla ja energian muunnososa suoritetaan sähkökemiallisilla [reaktioilla läsnä ollessa] katalyytteillä.
Mikä todella houkuttelee tätä prosessia, on kyky tuottaa polttoainetta pitkäaikaiseen energian varastointiin. Tämä on paljon enemmän kuin mitä nykyiset uusiutuvat energialähteet voivat tehdä, jopa kehittyvän akkutekniikan avulla. Esimerkiksi jos aurinko ei ole ulkona tai ei ole tuulinen päivä, aurinkopaneelit ja tuulipuistot yksinkertaisesti lopettavat tuotannon. Tarvitsemme paremman ratkaisun pitkäaikaiseen kausittaiseen varastointiin ja monimutkaisten polttoaineiden varastointiin, De Luna sanoo. Akut ovat erinomaisia päivittäin, puhelimille ja jopa autoille, mutta emme koskaan aio käyttää [Boeing] 747: tä akulla.
Ratkaistavat haasteet
Kun on kyse aurinkokennojen luomisesta - ensimmäinen vaihe keinotekoisen fotosynteesin prosessissa - meillä on jo tekniikka paikallaan: aurinkoenergiajärjestelmät. Nykyiset aurinkosähköpaneelit, jotka ovat tyypillisesti puolijohdepohjaisia järjestelmiä, ovat kuitenkin suhteellisen kalliita ja tehottomia luontoon verrattuna. Tarvitaan uusi tekniikka; joka tuhlaa paljon vähemmän energiaa.
Gary Hastings ja hänen tiiminsä Georgian osavaltion yliopisto, Atlanta , on saattanut kompastua lähtökohtaan, kun tarkastellaan alkuperäistä prosessia kasveissa. Fotosynteesissä ratkaiseva kohta on elektronien siirtäminen tietyllä etäisyydellä solussa. Hyvin yksinkertaisesti sanottuna tämä auringonvalon aiheuttama liike muuttuu myöhemmin energiaksi. Hastings osoitti, että prosessi on luonteeltaan erittäin tehokas, koska nämä elektronit eivät voi palata alkuperäiseen asentoonsa: Jos elektroni palaa takaisin lähtöpaikastaan, aurinkoenergia menetetään. Vaikka tämä mahdollisuus on harvinaista kasveissa, se tapahtuu melko usein aurinkopaneeleissa, mikä selittää, miksi ne ovat vähemmän tehokkaita kuin todellinen asia.
Hastings uskoo tämän tutkimuksen edistävän todennäköisesti kemikaalien tai polttoaineiden tuotantoon liittyviä aurinkokennotekniikoita, mutta hän huomauttaa nopeasti, että tämä on vain ajatus tällä hetkellä, ja tätä edistystä ei todennäköisesti tapahdu pian. Näiden ideoiden pohjalta suunnitellun täysin keinotekoisen aurinkokennotekniikan valmistuksen osalta uskon, että tekniikka on kaukana tulevaisuudessa, todennäköisesti ei seuraavien viiden vuoden aikana edes prototyypin suhteen.
Yksi ongelma, jonka tutkijat uskovat olevan lähellä ratkaisua, sisältää prosessin toisen vaiheen: hiilidioksidin muuntamisen polttoaineeksi. Koska tämä molekyyli on erittäin vakaa ja sen rikkoutuminen vie uskomattoman määrän energiaa, keinotekoinen järjestelmä käyttää katalyyttejä vähentääkseen tarvittavaa energiaa ja nopeuttaen reaktiota. Tämä lähestymistapa tuo kuitenkin omat ongelmakokonaisuutensa. Viimeisten kymmenen vuoden aikana on tehty useita yrityksiä, mangaanista, titaanista ja koboltista valmistettuja katalyyttejä, mutta pitkäaikainen käyttö on osoittautunut ongelmaksi. Teoria voi tuntua hyvältä, mutta ne joko lakkaavat toimimasta muutaman tunnin kuluttua, muuttuvat epävakaiksi, hitaiksi tai laukaisevat muita kemiallisia reaktioita, jotka voivat vahingoittaa solua.
Mutta Kanadalaisten ja kiinalaisten tutkijoiden yhteistyö näyttää saavuttaneen jättipotin . He löysivät tavan yhdistää nikkeli, rauta, koboltti ja fosfori toimimaan neutraalissa pH: ssa, mikä helpottaa järjestelmän käyttöä huomattavasti. Koska katalysaattorimme voi toimia hyvin neutraalissa pH-elektrolyytissä, mikä on välttämätöntä hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi, voimme suorittaa hiilidioksidipäästöjen elektrolyysin kalvottomassa järjestelmässä ja siten jännitettä voidaan pienentää, kertoo Bo Zhang osastolta Fudanin yliopistossa, Kiinassa. Vaikuttavan 64-prosenttisen sähkön ja kemian välisen muunnoksen ansiosta joukkue on nyt ennätyshaltija, jolla on korkein hyötysuhde keinotekoisille fotosynteesijärjestelmille.
kuinka nähdä kansion koko Google Drivessa
Suurin ongelma tällä hetkellä meillä on mittakaava
Ponnisteluistaan joukkue pääsi välieriin NRG COSIA Carbon XPRIZE -kilpailussa, mikä voi voittaa heille 20 miljoonaa dollaria tutkimuksestaan. Tavoitteena on kehittää läpimurtotekniikoita, jotka muuttavat voimalaitosten ja teollisuuslaitosten hiilidioksidipäästöt arvokkaiksi tuotteiksi, ja niiden parannetuilla keinotekoisilla fotosynteesijärjestelmillä ne ovat hyvät mahdollisuudet.
Seuraava haaste on laajentaminen. Suurin ongelma tällä hetkellä meillä on mittakaava. Kun laajennamme, menetämme tehokkuuden, sanoo De Luna, joka oli myös mukana Zhangin tutkimuksessa. Onneksi tutkijat eivät ole tyhjentäneet luetteloa parannuksista, ja yrittävät nyt tehdä katalysaattoreista tehokkaampia erilaisilla koostumuksilla ja erilaisilla kokoonpanoilla.
Voitto kahdella rintamalla
Lyhyellä ja pitkällä aikavälillä on varmasti vielä parantamisen varaa, mutta monien mielestä keinotekoisesta fotosynteesistä voi tulla tärkeä työkalu puhtaana ja kestävänä tekniikkana tulevaisuudessa.
Se on uskomattoman jännittävää, koska kenttä liikkuu niin nopeasti. Kaupallistamisen suhteen olemme kärjessä, sanoo De Luna ja lisää, että se, toimiiko se, riippuu monista tekijöistä, joihin kuuluu julkinen politiikka ja teollisuuden omaksuma uusiutuvan energian teknologian hyväksyminen.
Tiede oikealle on sitten vasta ensimmäinen askel. Hastingsin ja Zhangin kaltaisten tutkimusten seurauksena tulee olemaan ratkaiseva toimenpide keinotekoisen fotosynteesin ottamiseksi osaksi uusiutuvaa energiaa koskevaa globaalia strategiaamme. Panokset ovat korkeat. Jos se menee läpi, olemme voittaneet kahdella rintamalla - paitsi polttoaineiden ja kemiallisten tuotteiden tuotannossa, myös vähentämällä hiilijalanjälkemme prosessissa.
