Fotoszintézis: az élet alapvető mechanizmusa ezen a bolygón, az érettségiző biológushallgatók csapása, és most egy lehetséges módja a klímaváltozás elleni küzdelemnek. A tudósok keményen dolgoznak egy olyan mesterséges módszer kifejlesztésén, amely utánozza azt, ahogy a növények a napfény segítségével a szén-dioxidot és a vizet üzemanyagként felhasználhatóvá alakítják. Ha beválik, akkor ez mindenki számára előnyös forgatókönyv lesz: nemcsak az így előállított megújuló energiából profitálunk, hanem a légkör CO2-szintjének csökkentésének is fontos módja lehet.
A növényeknek azonban több milliárd évbe telt a fotoszintézis kifejlesztése, és nem mindig könnyű feladat megismételni a természetben zajló eseményeket. Jelenleg a mesterséges fotoszintézis alapvető lépései működnek, de nem túl hatékonyan. A jó hír az, hogy a kutatás ezen a területen felgyorsul, és világszerte vannak olyan csoportok, amelyek lépéseket tesznek ennek az integrált folyamatnak a kihasználása érdekében.
Kétlépcsős fotoszintézis
A fotoszintézis nem csak a napfény rögzítéséről szól. A meleg napon fürdő gyík képes erre. A fotoszintézis a növényekben úgy alakult ki, hogy megragadja és tárolja ezt az energiát (a „fotó” bit), és szénhidráttá alakítja (a „szintézis” bit). A növények a napfény által működtetett fehérjék és enzimek sorozatát használják fel az elektronok felszabadítására, amelyeket viszont a CO2 komplex szénhidrátokká alakítására használnak fel. Alapvetően a mesterséges fotoszintézis ugyanazokat a lépéseket követi.
„A természetes fotoszintézis során, amely a természetes szénciklus része, fény, szén-dioxid és víz jut be a növénybe, és a növény cukrot termel” – magyarázza Phil De Luna, a Villamos- és Számítástechnikai Tanszéken dolgozó PhD-jelölt. a Torontói Egyetem. „A mesterséges fotoszintézis során szervetlen eszközöket és anyagokat használunk. A tényleges napenergia-begyűjtést napelemek végzik, az energiaátalakítási részt pedig elektrokémiai [reakciók] katalizátorok segítségével.
Ami igazán vonzó ebben a folyamatban, az az a képesség, hogy üzemanyagot állítanak elő hosszú távú energiatároláshoz. Ez sokkal több annál, mint amire a jelenlegi megújuló energiaforrások képesek, még a kialakulóban lévő akkumulátortechnológiával is. Ha például nem süt a nap, vagy ha nem szeles a nap, a napelemek és a szélerőművek egyszerűen leállítják a termelést. „A hosszabb szezonális tároláshoz és az összetett üzemanyagokban való tároláshoz jobb megoldásra van szükségünk” – mondja De Luna. „Az akkumulátorok nagyszerűek a mindennapokhoz, telefonokhoz és még autókhoz is, de soha nem fogunk egy [Boeing] 747-est akkumulátorral üzemeltetni.”
Megoldandó kihívások
Ami a napelemek létrehozását illeti – ez a mesterséges fotoszintézis folyamatának első lépése –, már megvan a technológia: a napelemes rendszerek. A jelenlegi fotovoltaikus panelek azonban, amelyek jellemzően félvezető alapú rendszerek, viszonylag drágák és a természethez képest nem hatékonyak. Új technológiára van szükség; amely sokkal kevesebb energiát pazarol.
Gary Hastings és csapata az atlantai Georgia Állami Egyetemről talán egy kiindulási pontra bukkant, amikor az eredeti folyamatot vizsgálták a növényekben. A fotoszintézisben a döntő pont az elektronok bizonyos távolságra történő mozgatása a sejtben. Nagyon leegyszerűsítve ez a napfény által okozott mozgás, amely később energiává alakul. Hastings kimutatta, hogy a folyamat nagyon hatékony a természetben, mivel ezek az elektronok nem tudnak visszatérni eredeti helyzetükbe: "Ha az elektron visszamegy oda, ahonnan jött, akkor a napenergia elveszik." Noha ez a lehetőség ritka a növényekben, a napelemeknél meglehetősen gyakran előfordul, ami megmagyarázza, miért kevésbé hatékonyak, mint a valódiak.
Hastings úgy véli, hogy ez a „kutatás valószínűleg előmozdítja a vegyszer- vagy üzemanyag-gyártáshoz kapcsolódó napelem-technológiákat”, de gyorsan leszögezi, hogy ez egyelőre csak egy ötlet, és ez az előrelépés valószínűleg nem fog megtörténni egyhamar. „Egy teljesen mesterséges napelem-technológia gyártása tekintetében, amelyet ezen ötletek alapján terveztek, úgy vélem, hogy a technológia távolabb áll a jövőben, valószínűleg a következő öt éven belül még egy prototípus esetében sem.”
Az egyik probléma, amelyről a kutatók úgy vélik, hogy közel vagyunk a megoldáshoz, magában foglalja a folyamat második lépését: a CO2 üzemanyaggá alakítását. Mivel ez a molekula nagyon stabil, és hihetetlen mennyiségű energiát igényel feltörése, a mesterséges rendszer katalizátorokat használ a szükséges energia csökkentésére és a reakció felgyorsítására. Ez a megközelítés azonban meghozza a maga problémáit. Az elmúlt tíz évben sok próbálkozás történt mangánból, titánból és kobaltból készült katalizátorokkal, de a hosszan tartó használat problémát jelent. Az elmélet jónak tűnhet, de vagy néhány óra múlva leállnak, instabillá válnak, lelassulnak, vagy más kémiai reakciókat indítanak el, amelyek károsíthatják a sejtet.
Ám úgy tűnik, hogy a kanadai és kínai kutatók együttműködése elérte a főnyereményt. Megtalálták a módját, hogy a nikkelt, a vasat, a kobaltot és a foszfort semleges pH-értéken kombinálják, ami jelentősen megkönnyíti a rendszer működését. „Mivel a katalizátorunk jól működik semleges pH-jú elektrolitban, ami a CO2 redukciójához szükséges, a CO2 redukció elektrolízisét egy membránmentes rendszerben is lefuttathatjuk, így a feszültség csökkenthető” – mondja Bo Zhang. a Kínai Fudan Egyetem Makromolekuláris Tudományok Tanszéke. Lenyűgöző, 64%-os elektromos-kémiai konverziójával a csapat immár rekorderek a mesterséges fotoszintézis rendszerek legmagasabb hatékonyságával.
„A jelenlegi legnagyobb probléma a méretezés”
Erőfeszítéseikért a csapat bejutott az elődöntőbe az NRG COSIA Carbon XPRIZE versenyen, amely 20 millió dollárt nyerhet a kutatásukra. A cél az, hogy „áttörést jelentő technológiákat fejlesszenek ki, amelyek az erőművek és ipari létesítmények szén-dioxid-kibocsátását értékes termékekké alakítják”, és továbbfejlesztett mesterséges fotoszintézis-rendszereikkel jó esélyük van rá.
A következő kihívás a bővítés. „Jelenleg a legnagyobb probléma a méretekkel van. Ha növeljük a skálát, a végén elveszítjük hatékonyságunkat” – mondja De Luna, aki szintén részt vett Zhang vizsgálatában. Szerencsére a kutatók még nem merítették ki a fejlesztések listáját, és most megpróbálják hatékonyabbá tenni a katalizátorokat különböző összetételekkel és különböző konfigurációkkal.
Két fronton nyerünk
Minden bizonnyal van még hova fejlődni rövid és hosszú távon is, de sokan úgy gondolják, hogy a mesterséges fotoszintézis fontos eszközzé válhat a jövő tiszta és fenntartható technológiájaként.
„Hihetetlenül izgalmas, mert olyan gyorsan halad a mezőny. Ami a kereskedelmi forgalomba hozatalt illeti, a fordulópontnál vagyunk” – mondja De Luna, hozzátéve, hogy az, hogy ez működik-e, „sok tényezőtől fog függni, beleértve a közpolitikát és azt, hogy az ipar elfogadja-e a megújuló energiatechnológiát. .”
A tudomány helyes kialakítása tehát csak az első lépés. Hastings és Zhang kutatásai nyomán jön a döntő lépés, hogy a mesterséges fotoszintézist beépítsük a megújuló energiával kapcsolatos globális stratégiánkba. A tét nagy. Ha sikerül, akkor két fronton is nyerünk – nemcsak üzemanyagok és vegyi termékek előállításával, hanem szénlábnyomunk csökkentésével is.