Fotosinteza: temeljni mehanizem za življenje na tem planetu, nadloga študentov biologije GCSE in zdaj potencialni način za boj proti podnebnim spremembam. Znanstveniki si močno prizadevajo razviti umetno metodo, ki posnema, kako rastline uporabljajo sončno svetlobo za pretvorbo CO2 in vode v nekaj, kar lahko uporabimo kot gorivo. Če bo delovalo, bo to za nas zmagovalni scenarij: ne samo, da bomo imeli koristi od obnovljive energije, proizvedene na ta način, ampak bi lahko postala tudi pomemben način za zmanjšanje ravni CO2 v ozračju.
Vendar pa so rastline potrebovale milijarde let, da so razvile fotosintezo, in ni vedno lahka naloga ponoviti, kar se dogaja v naravi. Trenutno osnovni koraki pri umetni fotosintezi delujejo, vendar ne zelo učinkovito. Dobra novica je, da raziskave na tem področju naraščajo in da obstajajo skupine po vsem svetu, ki delajo korake za izkoriščanje tega integralnega procesa.
Dvostopenjska fotosinteza
Fotosinteza ni samo zajemanje sončne svetlobe. To zmore kuščar, ki se kopa na toplem soncu. Fotosinteza se je v rastlinah razvila kot način za zajemanje in shranjevanje te energije (bit "foto") in njeno pretvorbo v ogljikove hidrate (bit "sinteze"). Rastline uporabljajo vrsto beljakovin in encimov, ki jih poganja sončna svetloba, da sprostijo elektrone, ki se nato uporabljajo za pretvorbo CO2 v kompleksne ogljikove hidrate. V bistvu umetna fotosinteza poteka po istih korakih.
»Pri naravni fotosintezi, ki je del naravnega cikla ogljika, imamo svetlobo, CO2 in vodo, ki vstopajo v rastlino in rastlina proizvaja sladkor,« pojasnjuje Phil De Luna, doktorski kandidat, ki dela na Oddelku za elektrotehniko in računalništvo pri univerzi v Torontu. »Pri umetni fotosintezi uporabljamo anorganske naprave in materiale. Dejanski del pridobivanja sončne energije opravijo sončne celice, del za pretvorbo energije pa izvedejo elektrokemične [reakcije v prisotnosti] katalizatorjev."
Kar resnično privlači ta proces, je sposobnost proizvodnje goriva za dolgoročno shranjevanje energije. To je veliko več, kot lahko naredijo trenutni obnovljivi viri energije, tudi z nastajajočo tehnologijo baterij. Če na primer ni sonca ali če ni vetrovnega dne, sončne celice in vetrne elektrarne preprosto prenehajo proizvajati. "Za dolgotrajno sezonsko skladiščenje in skladiščenje v kompleksnih gorivih potrebujemo boljšo rešitev," pravi De Luna. "Baterije so odlične za vsak dan, za telefone in celo za avtomobile, vendar [Boeinga] 747 nikoli ne bomo poganjali z baterijo."
Izzivi za reševanje
Ko gre za ustvarjanje sončnih celic – prvi korak v procesu umetne fotosinteze – že imamo vzpostavljeno tehnologijo: sisteme za sončno energijo. Vendar so trenutni fotonapetostni paneli, ki so običajno polprevodniški sistemi, relativno dragi in neučinkoviti v primerjavi z naravo. Potrebna je nova tehnologija; ki porabi veliko manj energije.
Gary Hastings in njegova ekipa z univerze Georgia State v Atlanti so morda naleteli na izhodišče, ko so gledali na prvotni proces v rastlinah. Pri fotosintezi je ključna točka premikanje elektronov na določeno razdaljo v celici. Zelo preprosto povedano, to gibanje, ki ga povzroča sončna svetloba, se kasneje pretvori v energijo. Hastings je pokazal, da je proces po naravi zelo učinkovit, saj se ti elektroni ne morejo vrniti v prvotni položaj: "Če se elektron vrne tja, od koder je prišel, se sončna energija izgubi." Čeprav je ta možnost pri rastlinah redka, se pri sončnih kolektorjih pojavlja precej pogosto, kar pojasnjuje, zakaj so manj učinkoviti od resničnih.
Hastings verjame, da bodo te "raziskave verjetno izboljšale tehnologije sončnih celic, povezane s proizvodnjo kemikalij ali goriv", vendar je hitro poudaril, da je to trenutno le ideja in je malo verjetno, da se bo ta napredek zgodil kmalu. "V smislu izdelave popolnoma umetne tehnologije sončnih celic, ki je zasnovana na podlagi teh idej, verjamem, da je tehnologija v prihodnosti bolj oddaljena, verjetno ne v naslednjih petih letih niti za prototip."
Raziskovalci verjamejo, da smo blizu reševanju enega problema, ki vključuje drugi korak v procesu: pretvorbo CO2 v gorivo. Ker je ta molekula zelo stabilna in je potrebna neverjetna količina energije, da jo razbije, umetni sistem uporablja katalizatorje, da zmanjša potrebno energijo in pomaga pospešiti reakcijo. Vendar pa ta pristop prinaša svoj niz težav. V zadnjih desetih letih je bilo veliko poskusov s katalizatorji iz mangana, titana in kobalta, vendar se je dolgotrajna uporaba izkazala za težavo. Teorija se morda zdi dobra, vendar bodisi prenehajo delovati po nekaj urah, postanejo nestabilni, počasni ali sprožijo druge kemične reakcije, ki lahko poškodujejo celico.
Toda zdi se, da je sodelovanje med kanadskimi in kitajskimi raziskovalci doseglo jackpot. Našli so način, kako združiti nikelj, železo, kobalt in fosfor, da delujejo pri nevtralnem pH, kar bistveno olajša delovanje sistema. "Ker lahko naš katalizator dobro deluje v nevtralnem pH elektrolitu, ki je potreben za zmanjšanje CO2, lahko izvedemo elektrolizo redukcije CO2 v sistemu [a] brez membrane in s tem se lahko zmanjša napetost," pravi Bo Zhang iz Oddelek za makromolekularno znanost na univerzi Fudan na Kitajskem. Z impresivno 64-odstotno pretvorbo električne energije v kemično je ekipa zdaj rekorderka z najvišjo učinkovitostjo pri sistemih za umetno fotosintezo.
"Največja težava s tem, kar imamo trenutno, je obseg"
Za svoja prizadevanja je ekipa dosegla polfinale na NRG COSIA Carbon XPRIZE, ki bi jim lahko prinesla 20 milijonov dolarjev za svoje raziskave. Cilj je »razviti prebojne tehnologije, ki bodo pretvorile emisije CO2 iz elektrarn in industrijskih objektov v dragocene izdelke«, z izboljšanimi sistemi umetne fotosinteze pa imajo dobre možnosti.
Naslednji izziv je povečevanje. »Največja težava s tem, kar imamo trenutno, je obseg. Ko se povečamo, na koncu izgubimo učinkovitost,« pravi De Luna, ki je bil tudi vključen v Zhangovo študijo. Na srečo raziskovalci še niso izčrpali svojega seznama izboljšav in zdaj poskušajo narediti katalizatorje učinkovitejše z različnimi sestavami in različnimi konfiguracijami.
Zmaga na dveh frontah
Vsekakor je še prostora za izboljšave tako kratkoročno kot dolgoročno, vendar mnogi menijo, da lahko umetna fotosinteza postane pomembno orodje kot čista in trajnostna tehnologija za prihodnost.
"To je neverjetno razburljivo, ker se igrišče premika tako hitro. V smislu komercializacije smo na prelomni točki,« pravi De Luna in dodaja, da bo, ali bo delovalo, »odvisno od številnih dejavnikov, ki vključujejo javno politiko in sprejetje industrije, da sprejme tehnologijo obnovljivih virov energije .”
Ugotoviti, da je znanost prava, je torej šele prvi korak. Po raziskavah, kot sta Hastings in Zhang, bo prišlo do odločilne poteze za vsrkavanje umetne fotosinteze v našo globalno strategijo glede obnovljive energije. Vložki so visoki. Če bo uspelo, bomo zmagali na dveh frontah – ne le s proizvodnjo goriv in kemičnih izdelkov, temveč tudi z zmanjševanjem ogljičnega odtisa v procesu.