Fotosintesis buatan: Teknologi dua dalam satu yang dapat menyelamatkan planet ini

Fotosintesis: mekanisme asas untuk kehidupan di planet ini, bencana pelajar biologi GCSE, dan sekarang cara yang berpotensi untuk memerangi perubahan iklim. Para saintis bekerja keras untuk mengembangkan kaedah buatan yang meniru bagaimana tumbuhan menggunakan cahaya matahari untuk mengubah CO2 dan air menjadi sesuatu yang dapat kita gunakan sebagai bahan bakar. Sekiranya ia berfungsi, ini akan menjadi senario win-win bagi kita: bukan sahaja kita akan mendapat manfaat daripada tenaga boleh diperbaharui yang dihasilkan dengan cara ini, tetapi juga dapat menjadi cara penting untuk mengurangkan tahap CO2 di atmosfera.

Fotosintesis buatan: Teknologi dua dalam satu yang dapat menyelamatkan planet ini

Walau bagaimanapun, memerlukan tanaman berbilion tahun untuk mengembangkan fotosintesis, dan tidak selalu mudah untuk meniru apa yang berlaku di alam semula jadi. Pada masa ini, langkah asas dalam fotosintesis buatan berfungsi, tetapi tidak begitu cekap. Berita baiknya adalah bahawa penyelidikan dalam bidang ini semakin meningkat dan ada kumpulan di seluruh dunia membuat langkah-langkah untuk memanfaatkan proses integral ini.

Fotosintesis dua langkah

Fotosintesis bukan sekadar menangkap cahaya matahari. Kadal yang mandi di bawah sinar matahari yang panas dapat melakukannya. Fotosintesis berkembang di tumbuhan sebagai cara untuk menangkap dan menyimpan tenaga ini (bit "foto") dan mengubahnya menjadi karbohidrat (bit "sintesis"). Tumbuhan menggunakan serangkaian protein dan enzim yang digerakkan oleh sinar matahari untuk melepaskan elektron, yang pada gilirannya digunakan untuk mengubah CO2 menjadi karbohidrat kompleks. Pada dasarnya, fotosintesis buatan mengikuti langkah yang sama.

photovoltaic_solar_cells

Lihat tiang Lampu yang berkaitan di London diubah menjadi titik pengisian Tenaga suria di UK: Bagaimana tenaga suria berfungsi dan apa kelebihannya?

"Dalam fotosintesis semula jadi, yang merupakan sebahagian daripada kitaran karbon semula jadi, kita mempunyai cahaya, CO2 dan air masuk ke kilang dan kilang membuat gula," jelas Phil De Luna, calon PhD yang bekerja di Jabatan Kejuruteraan Elektrik dan Komputer di Universiti Toronto. "Dalam fotosintesis buatan, kami menggunakan alat dan bahan bukan organik. Bahagian penuaian solar yang sebenarnya dilakukan oleh sel suria dan bahagian penukaran tenaga dilakukan oleh reaksi elektrokimia dengan adanya pemangkin. "

Apa yang sangat menarik dengan proses ini adalah kemampuan menghasilkan bahan bakar untuk simpanan tenaga jangka panjang. Ini jauh lebih banyak daripada apa yang dapat dilakukan oleh sumber tenaga boleh diperbaharui semasa, walaupun dengan teknologi bateri yang baru muncul. Sekiranya matahari tidak keluar atau jika hari tidak berangin, misalnya, panel solar dan ladang angin berhenti menghasilkan. "Untuk penyimpanan dan penyimpanan musiman yang berpanjangan dalam bahan bakar kompleks, kami memerlukan penyelesaian yang lebih baik," kata De Luna. "Bateri bagus untuk hari ke hari, untuk telefon dan juga untuk kereta, tetapi kami tidak akan pernah menggunakan [Boeing] 747 dengan bateri."

Cabaran untuk diselesaikan

Semasa membuat sel suria - langkah pertama dalam proses fotosintesis buatan - kita sudah mempunyai teknologi: sistem tenaga suria. Walau bagaimanapun, panel fotovoltaik semasa, yang biasanya berasaskan sistem semikonduktor, agak mahal dan tidak efisien berbanding dengan alam semula jadi. Teknologi baru diperlukan; satu yang membazirkan tenaga yang jauh lebih sedikit.

Gary Hastings dan pasukannya dari Georgia State University, Atlanta, mungkin tersandung pada titik awal ketika melihat proses semula jadi di tanaman. Dalam fotosintesis, titik penting melibatkan bergerak elektron pada jarak tertentu di dalam sel. Dalam istilah yang sangat mudah, pergerakan ini disebabkan oleh cahaya matahari yang kemudiannya ditukar menjadi tenaga. Hastings menunjukkan bahawa prosesnya sangat efisien kerana elektron ini tidak dapat kembali ke posisi semula: "Jika elektron kembali ke tempat asal, maka tenaga suria akan hilang." Walaupun kemungkinan ini jarang berlaku pada tanaman, ia berlaku dengan kerap pada panel solar, yang menjelaskan mengapa ia kurang efisien daripada yang sebenarnya.

Hastings percaya bahawa "penyelidikan ini cenderung untuk memajukan teknologi sel surya yang berkaitan dengan pengeluaran bahan kimia atau bahan bakar", tetapi dia cepat menunjukkan bahawa ini hanya idea pada masa ini dan kemajuan ini tidak mungkin akan terjadi dalam waktu dekat. "Dari segi fabrikasi teknologi sel surya buatan sepenuhnya yang dirancang berdasarkan idea-idea ini, saya percaya bahawa teknologi akan semakin jauh di masa depan, kemungkinan tidak dalam lima tahun ke depan bahkan untuk prototaip."

buatan_fotosintesis

Satu masalah penyelidik percaya bahawa kita hampir dapat menyelesaikannya melibatkan langkah kedua dalam proses: menukar CO2 menjadi bahan bakar. Oleh kerana molekul ini sangat stabil dan memerlukan banyak tenaga untuk memecahkannya, sistem buatan menggunakan pemangkin untuk menurunkan tenaga yang diperlukan dan membantu mempercepat tindak balas. Walau bagaimanapun, pendekatan ini membawa masalahnya sendiri. Terdapat banyak percubaan selama sepuluh tahun terakhir, dengan pemangkin yang terbuat dari mangan, titanium dan kobalt, tetapi penggunaan yang berpanjangan telah membuktikan dirinya sebagai masalah. Teorinya mungkin kelihatan baik, tetapi mereka berhenti bekerja setelah beberapa jam, menjadi tidak stabil, perlahan atau mencetuskan reaksi kimia lain yang boleh merosakkan sel.

Tetapi kerjasama antara penyelidik Kanada dan China sepertinya telah berjaya. Mereka menemukan cara untuk menggabungkan nikel, besi, kobalt dan fosfor untuk bekerja dalam pH neutral, yang menjadikan sistem berjalan lebih mudah. "Oleh kerana pemangkin kita dapat bekerja dengan baik dalam elektrolit pH netral, yang diperlukan untuk pengurangan CO2, kita dapat menjalankan elektrolisis pengurangan CO2 dalam sistem bebas membran, dan oleh itu voltan dapat diturunkan", kata Bo Zhang, dari Jabatan Sains Makromolekul di Universiti Fudan, China. Dengan penukaran kuasa elektrik-ke-kimia 64% yang mengagumkan, pasukan kini menjadi pemegang rekod dengan kecekapan tertinggi untuk sistem fotosintesis buatan.

"Masalah terbesar dengan apa yang kita miliki sekarang adalah skala"

Atas usaha mereka, pasukan mara ke separuh akhir di NRG COSIA Carbon XPRIZE, yang dapat memenangkan $ 20 juta untuk penyelidikan mereka. Tujuannya adalah untuk "mengembangkan teknologi terobosan yang akan mengubah pelepasan CO2 dari loji janakuasa dan kemudahan industri menjadi produk berharga" dan dengan sistem fotosintesis buatan mereka yang lebih baik, mereka memiliki peluang yang baik.

Cabaran seterusnya adalah meningkat. "Masalah terbesar dengan apa yang kita miliki sekarang adalah skala. Apabila kita meningkat, kita akhirnya kehilangan kecekapan, "kata De Luna, yang juga terlibat dalam kajian Zhang. Nasib baik, penyelidik tidak menghabiskan senarai penambahbaikan mereka, dan sekarang berusaha menjadikan pemangkin lebih cekap melalui komposisi dan konfigurasi yang berbeza.

Menang di dua bahagian

Masih ada ruang untuk penambahbaikan dalam jangka pendek dan jangka panjang, tetapi banyak yang berpendapat bahwa fotosintesis artifisial berpotensi menjadi alat penting sebagai teknologi yang bersih dan lestari untuk masa depan.

"Ia sangat menggembirakan kerana bidang ini bergerak begitu cepat. Dari segi pengkomersialan, kami berada di titik tolak, "kata De Luna, sambil menambahkan bahawa, apakah itu berfungsi" akan bergantung pada banyak faktor, termasuk kebijakan awam dan penerapan oleh industri untuk menerima teknologi tenaga terbarukan . "

Mendapatkan sains dengan betul hanyalah langkah pertama. Setelah penyelidikan oleh Hastings dan Zhang akan menjadi langkah penting untuk menyerap fotosintesis buatan ke dalam strategi global kami mengenai tenaga boleh diperbaharui. Taruhannya tinggi. Sekiranya berjaya, kita akan menang dalam dua bidang - bukan sahaja menghasilkan bahan bakar dan produk kimia, tetapi juga mengurangkan jejak karbon kita dalam prosesnya.