Fotosyntéza: základní mechanismus pro život na této planetě, metla studentů biologie GCSE a nyní potenciální způsob, jak bojovat proti změně klimatu. Vědci usilovně pracují na vývoji umělé metody, která napodobuje, jak rostliny využívají sluneční světlo k přeměně CO2 a vody na něco, co můžeme použít jako palivo. Pokud to bude fungovat, bude to pro nás oboustranně výhodný scénář: nejenže budeme těžit z obnovitelné energie vyrobené tímto způsobem, ale také by se to mohlo stát důležitým způsobem, jak snížit hladiny CO2 v atmosféře.
Rostlinám však trvalo miliardy let, než vyvinuly fotosyntézu, a replikovat to, co se děje v přírodě, není vždy snadný úkol. V tuto chvíli základní kroky umělé fotosyntézy fungují, ale nepříliš efektivně. Dobrou zprávou je, že výzkum v této oblasti nabírá tempo a po celém světě existují skupiny, které podnikají kroky k využití tohoto integrálního procesu.
Dvoustupňová fotosyntéza
Fotosyntéza není jen o zachycení slunečního světla. To dokáže ještěrka koupající se na teplém slunci. Fotosyntéza se vyvinula v rostlinách jako způsob, jak zachytit a uložit tuto energii (bit „foto“) a přeměnit ji na sacharidy (bit „syntéza“). Rostliny využívají řadu proteinů a enzymů poháněných slunečním zářením k uvolňování elektronů, které se zase používají k přeměně CO2 na komplexní sacharidy. Umělá fotosyntéza se v zásadě řídí stejnými kroky.
„Při přirozené fotosyntéze, která je součástí přirozeného uhlíkového cyklu, vstupuje do rostliny světlo, CO2 a voda a rostlina vyrábí cukr,“ vysvětluje Phil De Luna, kandidát na doktorát pracující na katedře elektrotechniky a počítačového inženýrství. univerzitě v Torontu. „Při umělé fotosyntéze používáme anorganická zařízení a materiály. Skutečná část solární sklizně je prováděna solárními články a část přeměny energie je prováděna elektrochemickými [reakcemi v přítomnosti] katalyzátorů."
Co na tomto procesu opravdu láká, je schopnost vyrábět palivo pro dlouhodobé skladování energie. To je mnohem víc, než co současné obnovitelné zdroje energie dokážou, dokonce i s nově vznikající technologií baterií. Pokud například nesvítí slunce nebo není větrný den, solární panely a větrné farmy jednoduše přestanou vyrábět. „Pro dlouhodobé sezónní skladování a skladování v komplexních palivech potřebujeme lepší řešení,“ říká De Luna. "Baterie jsou skvělé pro každý den, pro telefony a dokonce i pro auta, ale nikdy nebudeme provozovat [Boeing] 747 s baterií."
Výzvy k řešení
Pokud jde o vytváření solárních článků – první krok v procesu umělé fotosyntézy – již máme zavedenou technologii: solární systémy. Současné fotovoltaické panely, které jsou typicky polovodičové systémy, jsou však ve srovnání s přírodou relativně drahé a neefektivní. Je zapotřebí nová technologie; takový, který plýtvá mnohem méně energie.
Gary Hastings a jeho tým z Georgia State University v Atlantě možná narazili na výchozí bod, když se dívali na původní proces v rostlinách. Ve fotosyntéze je rozhodujícím bodem pohyb elektronů na určitou vzdálenost v buňce. Velmi jednoduše řečeno, je to tento pohyb způsobený slunečním světlem, který se později přemění na energii. Hastings ukázal, že tento proces je v přírodě velmi účinný, protože tyto elektrony se nemohou vrátit do své původní polohy: "Pokud se elektron vrátí tam, odkud přišel, sluneční energie se ztratí." I když je tato možnost u rostlin vzácná, u solárních panelů se to stává poměrně často, což vysvětluje, proč jsou méně účinné než skutečné.
Hastings věří, že tento „výzkum pravděpodobně povede k pokroku v technologiích solárních článků souvisejících s výrobou chemikálií nebo paliv“, ale rychle poukazuje na to, že je to v tuto chvíli pouze nápad a je nepravděpodobné, že k tomuto pokroku v dohledné době dojde. "Pokud jde o výrobu technologie plně umělých solárních článků, která je navržena na základě těchto myšlenek, věřím, že technologie je v budoucnu dále, pravděpodobně ne během příštích pěti let, dokonce ani u prototypu."
Jeden problém, o kterém se výzkumníci domnívají, že jsme blízko vyřešení, zahrnuje druhý krok v procesu: přeměnu CO2 na palivo. Jelikož je tato molekula velmi stabilní a její rozbití vyžaduje neuvěřitelné množství energie, umělý systém používá katalyzátory ke snížení potřebné energie a pomáhá urychlit reakci. Tento přístup však přináší své vlastní problémy. Za posledních deset let bylo provedeno mnoho pokusů s katalyzátory vyrobenými z manganu, titanu a kobaltu, ale dlouhodobé používání se ukázalo jako problém. Teorie se může zdát dobrá, ale buď přestanou fungovat po několika hodinách, stanou se nestabilními, zpomalí nebo spustí jiné chemické reakce, které mohou buňku poškodit.
Zdá se však, že spolupráce mezi kanadskými a čínskými výzkumníky zasáhla jackpot. Našli způsob, jak zkombinovat nikl, železo, kobalt a fosfor, aby fungovaly při neutrálním pH, což značně usnadňuje provoz systému. „Vzhledem k tomu, že náš katalyzátor může dobře fungovat v elektrolytu s neutrálním pH, který je nezbytný pro redukci CO2, můžeme provést elektrolýzu redukce CO2 v [a] bezmembránovém systému, a proto lze napětí snížit,“ říká Bo Zhang, z Katedra makromolekulárních věd na Fudan University, Čína. Díky působivé 64% přeměně elektrické energie na chemickou je tým nyní držiteli rekordů s nejvyšší účinností pro systémy umělé fotosyntézy.
„Největší problém s tím, co právě teď máme, je měřítko“
Za své úsilí se tým dostal do semifinále v NRG COSIA Carbon XPRIZE, což jim mohlo vyhrát 20 milionů dolarů na jejich výzkum. Cílem je „vyvinout průlomové technologie, které přemění emise CO2 z elektráren a průmyslových zařízení na hodnotné produkty“ a díky vylepšeným systémům umělé fotosyntézy mají dobrou šanci.
Další výzvou je škálování. „Největším problémem s tím, co právě teď máme, je měřítko. Když se zvětšíme, nakonec ztratíme efektivitu,“ říká De Luna, který se také podílel na Zhangově studii. Naštěstí výzkumníci nevyčerpali svůj seznam vylepšení a nyní se snaží zefektivnit katalyzátory prostřednictvím různých složení a různých konfigurací.
Vítězství na dvou frontách
Z krátkodobého i dlouhodobého hlediska je určitě stále prostor pro zlepšení, ale mnozí se domnívají, že umělá fotosyntéza má potenciál stát se důležitým nástrojem jako čistá a udržitelná technologie budoucnosti.
"Je to neuvěřitelně vzrušující, protože pole se pohybuje tak rychle. Pokud jde o komercializaci, jsme v bodě zlomu,“ říká De Luna a dodává, že to, zda to bude fungovat, „bude záviset na mnoha faktorech, mezi něž patří veřejná politika a přijetí technologie obnovitelné energie v průmyslu. .“
Správná věda je tedy opravdu jen prvním krokem. V návaznosti na výzkumy jako Hastings a Zhang přijde zásadní krok k absorbování umělé fotosyntézy do naší globální strategie kolem obnovitelné energie. Sázky jsou vysoké. Pokud se prosadí, můžeme vyhrát na dvou frontách – nejen při výrobě paliv a chemických produktů, ale také při snižování naší uhlíkové stopy v tomto procesu.