Fotosyntes: grundläggande mekanism för livet på denna planet, plåga av GCSE-biologistudenter, och nu ett potentiellt sätt att bekämpa klimatförändringarna. Forskare arbetar hårt för att utveckla en konstgjord metod som efterliknar hur växter använder solljus för att förvandla koldioxid och vatten till något vi kan använda som bränsle. Om det fungerar kommer det att vara ett vinn-vinn-scenario för oss: vi kommer inte bara att dra nytta av förnybar energi som produceras på detta sätt, men det kan också bli ett viktigt sätt att minska koldioxidnivån i atmosfären.
Det tog dock växter miljarder år att utveckla fotosyntes, och det är inte alltid en lätt uppgift att replikera vad som händer i naturen. För närvarande fungerar de grundläggande stegen i konstgjord fotosyntes, men inte särskilt effektivt. Den goda nyheten är att forskningen inom detta område tar fart och det finns grupper runt om i världen som gör steg mot att utnyttja denna integrerade process.
Tvåsteg fotosyntes
Fotosyntes handlar inte bara om att fånga solljus. En ödla som badar i den varma solen kan göra det. Fotosyntes utvecklades i växter som ett sätt att fånga och lagra denna energi (fotobiten) och omvandla den till kolhydrater (syntesbiten). Växter använder en serie proteiner och enzymer som drivs av solljus för att frigöra elektroner, som i sin tur används för att omvandla CO2 till komplexa kolhydrater. I grund och botten följer artificiell fotosyntes samma steg.
Se relaterade lampstolpar i London förvandlas till laddningspunkter Solenergi i Storbritannien: Hur fungerar solenergi och vilka fördelar har det?
I naturlig fotosyntes, som är en del av den naturliga kolcykeln, går vi in i växten med ljus, CO2 och vatten och växten gör socker, förklarar Phil De Luna, doktorand som arbetar vid institutionen för elektroteknik och datateknik vid universitetet av Toronto. I konstgjord fotosyntes använder vi oorganiska enheter och material. Den faktiska solskördningsdelen görs av solceller och energiomvandlingsdelen görs genom elektrokemiska [reaktioner i närvaro av] katalysatorer.
Det som verkligen tilltalar denna process är förmågan att producera bränsle för långvarig energilagring. Detta är så mycket mer än vad nuvarande förnybara energikällor kan göra, även med framväxande batteriteknik. Om solen till exempel inte är ute eller om det inte är en blåsig dag, till exempel, slutar solpaneler och vindkraftparker helt enkelt att producera. För långvarig säsongsförvaring och lagring i komplexa bränslen behöver vi en bättre lösning, säger De Luna. Batterier är bra för dag till dag, för telefoner och till och med för bilar, men vi ska aldrig köra en [Boeing] 747 med ett batteri.
Utmaningar att lösa
När det gäller att skapa solceller - det första steget i processen med konstgjord fotosyntes - har vi redan tekniken på plats: solenergisystem. Nuvarande solcellspaneler, som vanligtvis är halvledarbaserade system, är emellertid relativt dyra och ineffektiva jämfört med naturen. En ny teknik behövs; en som slösar bort mycket mindre energi.
Gary Hastings och hans team från Georgia State University, Atlanta , kan ha snubblat på en utgångspunkt när man tittar på den ursprungliga processen i växter. I fotosyntes innebär den avgörande punkten att man flyttar elektroner över ett visst avstånd i cellen. I mycket enkla termer är det denna rörelse orsakad av solljus som senare omvandlas till energi. Hastings visade att processen är mycket effektiv till sin natur eftersom dessa elektroner inte kan gå tillbaka till sin ursprungliga position: Om elektronen går tillbaka till var den kom ifrån går solenergin förlorad. Även om denna möjlighet är sällsynt i växter, händer det ganska ofta i solpaneler och förklarar varför de är mindre effektiva än den verkliga.
Hastings tror att denna forskning sannolikt kommer att främja solcellsteknologier relaterade till kemisk produktion eller bränsleproduktion, men han är snabb att påpeka att detta bara är en idé just nu och att detta framsteg sannolikt inte kommer att ske snart. När det gäller tillverkningen av en helt artificiell solcellsteknik som är designad utifrån dessa idéer tror jag att tekniken är längre bort i framtiden, sannolikt inte inom de närmaste fem åren även för en prototyp.
Ett problem som forskare tror att vi är nära att lösa är det andra steget i processen: omvandling av koldioxid till bränsle. Eftersom denna molekyl är mycket stabil och det tar otroligt mycket energi att bryta den, använder det konstgjorda systemet katalysatorer för att sänka den energi som krävs och hjälpa till att påskynda reaktionen. Detta tillvägagångssätt ger dock sina egna problem. De senaste tio åren har det gjorts många försök med katalysatorer gjorda av mangan, titan och kobolt, men långvarig användning har visat sig vara ett problem. Teorin kan verka bra, men de slutar antingen att arbeta efter några timmar, blir instabila, långsamma eller utlöser andra kemiska reaktioner som kan skada cellen.
Men ett samarbete mellan kanadensiska och kinesiska forskare verkar ha nått jackpotten . De hittade ett sätt att kombinera nickel, järn, kobolt och fosfor för att arbeta i ett neutralt pH, vilket gör att systemet körs betydligt lättare. Eftersom vår katalysator kan fungera bra i neutral pH-elektrolyt, vilket är nödvändigt för CO2-reduktion, kan vi köra elektrolysen av CO2-reduktion i [a] membranfritt system, och därmed kan spänningen minskas, säger Bo Zhang, från avdelningen för makromolekylär vetenskap vid Fudan University, Kina. Med en imponerande 64% elektrisk-till-kemisk energiomvandling är teamet nu rekordinnehavare med högsta effektivitet för konstgjorda fotosyntessystem.
hur man ändrar mitt reddit-namn
Det största problemet med vad vi har just nu är skala
För sina ansträngningar nådde laget semifinalen i NRG COSIA Carbon XPRIZE, som kunde vinna dem 20 miljoner dollar för sin forskning. Målet är att utveckla banbrytande teknik som kommer att omvandla koldioxidutsläpp från kraftverk och industrianläggningar till värdefulla produkter och med sina förbättrade konstgjorda fotosyntessystem har de en god chans.
Nästa utmaning är att öka. Det största problemet med vad vi har just nu är skala. När vi skala upp slutar vi förlora effektiviteten, säger De Luna, som också var inblandad i Zhangs studie. Lyckligtvis har forskare inte uttömt sin lista över förbättringar och försöker nu effektivisera katalysatorer genom olika kompositioner och olika konfigurationer.
Vinner på två fronter
Det finns verkligen fortfarande utrymme för förbättringar på både kort och lång sikt, men många anser att konstgjord fotosyntes har potential att bli ett viktigt verktyg som en ren och hållbar teknik för framtiden.
Det är otroligt spännande eftersom fältet rör sig så snabbt. När det gäller kommersialisering är vi vid tipppunkten, säger De Luna och tillade att om det fungerar kommer det att bero på många faktorer, som inkluderar allmän ordning och antagandet av branschen att acceptera förnybar energiteknik.
Att få vetenskapen rätt är egentligen bara det första steget. I kölvattnet av forskning som Hastings och Zhang kommer det avgörande steget att absorbera konstgjord fotosyntes i vår globala strategi kring förnybar energi. Insatserna är höga. Om det drar igenom kan vi vinna på två fronter - inte bara producerar bränslen och kemiska produkter utan minskar också vårt koldioxidavtryck i processen.
