Fotosyntese: grundlæggende mekanisme for livet på denne planet, svøbe af GCSE-biologistuderende, og nu en potentiel måde at bekæmpe klimaændringer på. Forskere arbejder hårdt på at udvikle en kunstig metode, der efterligner, hvordan planter bruger sollys til at omdanne CO2 og vand til noget, vi kan bruge som brændstof. Hvis det fungerer, vil det være et win-win-scenario for os: ikke kun vil vi drage fordel af vedvarende energi produceret på denne måde, men det kan også blive en vigtig måde at reducere CO2-niveauet i atmosfæren på.
Imidlertid tog det planter milliarder af år at udvikle fotosyntese, og det er ikke altid en let opgave at replikere, hvad der sker i naturen. I øjeblikket fungerer de grundlæggende trin i kunstig fotosyntese, men ikke meget effektivt. Den gode nyhed er, at forskningen inden for dette felt tager fart, og at der er grupper over hele verden, der tager skridt mod at udnytte denne integrerede proces.
To-trins fotosyntese
Fotosyntese handler ikke kun om at fange sollys. En firben, der bader i den varme sol, kan gøre det. Fotosyntese udviklede sig i planter som en måde at fange og lagre denne energi (fotobiten) og omdanne den til kulhydrater (syntesebiten). Planter bruger en række proteiner og enzymer, der drives af sollys til at frigive elektroner, som igen bruges til at omdanne CO2 til komplekse kulhydrater. Dybest set følger kunstig fotosyntese de samme trin.
Se relaterede lampestolper i London bliver til ladepunkter Solenergi i Storbritannien: Hvordan fungerer solenergi, og hvad er fordelene ved det?
I naturlig fotosyntese, som er en del af den naturlige kulstofcyklus, går der lys, CO2 og vand ind i planten, og planten fremstiller sukker, forklarer Phil De Luna, en ph.d.-kandidat, der arbejder ved Institut for Elektroteknik og Computerteknik ved Universitetet af Toronto. I kunstig fotosyntese bruger vi uorganiske enheder og materialer. Den faktiske solhøstningsdel udføres af solceller, og energiomdannelsesdelen udføres ved elektrokemiske [reaktioner i nærværelse af] katalysatorer.
Hvad der virkelig appellerer til denne proces er evnen til at producere brændstof til langvarig energilagring. Dette er så meget mere end hvad nuværende vedvarende energikilder kan gøre, selv med ny batteriteknologi. Hvis solen ikke er ude, eller hvis det for eksempel ikke er en blæsende dag, holder solpaneler og vindmølleparker simpelthen op med at producere. For langvarig sæsonopbevaring og opbevaring i komplekse brændstoffer har vi brug for en bedre løsning, siger De Luna. Batterier er gode til dag til dag, til telefoner og endda til biler, men vi kører aldrig en [Boeing] 747 med et batteri.
Udfordringer at løse
Når det kommer til at skabe solceller - det første trin i processen med kunstig fotosyntese - har vi allerede teknologien på plads: solenergisystemer. De nuværende solcelleanlæg, som typisk er halvlederbaserede systemer, er imidlertid relativt dyre og ineffektive sammenlignet med naturen. En ny teknologi er nødvendig; en der spilder langt mindre energi.
Gary Hastings og hans team fra Georgia State University, Atlanta , kan have snublet over et udgangspunkt, når man ser på den oprindelige proces i planter. I fotosyntese involverer det afgørende punkt at flytte elektroner over en bestemt afstand i cellen. I meget enkle vendinger er det denne bevægelse forårsaget af sollys, der senere omdannes til energi. Hastings viste, at processen er meget effektiv, fordi disse elektroner ikke kan gå tilbage til deres oprindelige position: Hvis elektronen går tilbage til, hvor den kom fra, går solenergien tabt. Selv om denne mulighed er sjælden i planter, sker det ganske ofte i solpaneler, hvilket forklarer, hvorfor de er mindre effektive end den rigtige ting.
Hastings mener, at denne forskning sandsynligvis vil fremme solcelle-teknologier relateret til kemisk eller brændstofproduktion, men han er hurtig til at påpege, at dette kun er en idé i øjeblikket, og dette fremskridt vil sandsynligvis ikke ske snart. Med hensyn til fremstilling af en fuldt kunstig solcelle-teknologi, der er designet baseret på disse ideer, tror jeg, at teknologien er længere væk i fremtiden, sandsynligvis ikke inden for de næste fem år, selv for en prototype.
Et problem, forskere mener, at vi er tæt på at løse, involverer det andet trin i processen: omdannelse af CO2 til brændstof. Da dette molekyle er meget stabilt, og det tager utrolig meget energi at bryde det, bruger det kunstige system katalysatorer til at sænke den krævede energi og hjælpe med at fremskynde reaktionen. Denne tilgang bringer imidlertid sit eget sæt problemer. Der har været mange forsøg i løbet af de sidste ti år med katalysatorer fremstillet af mangan, titanium og cobalt, men langvarig brug har vist sig at være et problem. Teorien kan virke god, men de holder enten op med at arbejde efter et par timer, bliver ustabile, langsomme eller udløser andre kemiske reaktioner, der kan beskadige cellen.
Men et samarbejde mellem canadiske og kinesiske forskere ser ud til at have ramt jackpotten . De fandt en måde at kombinere nikkel, jern, cobalt og fosfor til at arbejde i en neutral pH, hvilket gør det betydeligt lettere at køre systemet. Da vores katalysator kan fungere godt i neutral pH-elektrolyt, hvilket er nødvendigt for CO2-reduktion, kan vi køre elektrolyse af CO2-reduktion i [et] membranfrit system, og dermed kan spændingen reduceres, siger Bo Zhang, fra afdelingen fra makromolekylær videnskab ved Fudan University, Kina. Med en imponerende 64% elektrisk-til-kemisk effektkonvertering er holdet nu rekordholdere med den højeste effektivitet til kunstige fotosyntese-systemer.
hvordan man laver en pdf til et google doc
Det største problem med, hvad vi har lige nu, er skala
For deres indsats nåede holdet semifinalen i NRG COSIA Carbon XPRIZE, som kunne vinde dem 20 millioner dollars for deres forskning. Målet er at udvikle banebrydende teknologier, der omdanner CO2-emissioner fra kraftværker og industrianlæg til værdifulde produkter, og med deres forbedrede kunstige fotosyntese-systemer har de en god chance.
Den næste udfordring er at opskalere. Det største problem med, hvad vi har lige nu, er skala. Når vi skalerer op, ender vi med at miste effektivitet, siger De Luna, som også var involveret i Zhangs undersøgelse. Heldigvis har forskere ikke udtømt deres liste over forbedringer og prøver nu at gøre katalysatorer mere effektive gennem forskellige kompositioner og forskellige konfigurationer.
At vinde på to fronter
Der er bestemt stadig plads til forbedringer på både kort og lang sigt, men mange føler, at kunstig fotosyntese har potentialet til at blive et vigtigt redskab som en ren og bæredygtig teknologi for fremtiden.
Det er utroligt spændende, fordi marken bevæger sig så hurtigt. Med hensyn til kommercialisering er vi ved drejepunktet, siger De Luna og tilføjer, at om det fungerer, vil det afhænge af mange faktorer, herunder offentlig politik og industriens vedtagelse af at acceptere vedvarende energiteknologi.
At få videnskaben rigtig er egentlig kun det første skridt. I kølvandet på forskning fra folk som Hastings og Zhang vil det afgørende skridt til at absorbere kunstig fotosyntese ind i vores globale strategi omkring vedvarende energi. Indsatsen er høj. Hvis det trækker igennem, står vi for at vinde på to fronter - ikke kun producerer brændstoffer og kemiske produkter, men reducerer også vores CO2-fodaftryk i processen.
