Fotosüntees: selle planeedi elu põhiline mehhanism, GCSE bioloogiatudengite nuhtlus ja nüüd potentsiaalne viis kliimamuutustega võitlemiseks. Teadlased töötavad kõvasti kunstliku meetodi väljatöötamise nimel, mis jäljendab seda, kuidas taimed kasutavad päikesevalgust CO2 ja vee muundamiseks millekski, mida saame kasutada kütusena. Kui see töötab, on see meie jaoks kasulik võit: mitte ainult ei saa me kasu sellisel viisil toodetud taastuvenergiast, vaid see võib saada ka oluliseks viisiks vähendada atmosfääri süsinikdioksiidi taset.
Taimedel kulus aga fotosünteesi väljatöötamiseks miljardeid aastaid ja looduses toimuva kordamine pole alati lihtne ülesanne. Praegu toimivad kunstliku fotosünteesi põhisammud, kuid mitte eriti tõhusalt. Hea uudis on see, et selles valdkonnas on teadusuuringud hoogustumas ja kogu maailmas on gruppe, kes astuvad samme selle lahutamatu protsessi rakendamise suunas.
Kaheastmeline fotosüntees
Fotosüntees ei tähenda ainult päikesevalgust. Sooja päikese käes suplev sisalik saab seda teha. Fotosüntees arenes taimedes välja selle energia (fotobiti) püüdmiseks ja salvestamiseks ning selle muutmiseks süsivesikuteks (sünteesibitt). Taimed kasutavad päikesevalgusest saadavaid valke ja ensüüme elektronide vabastamiseks, mida omakorda kasutatakse CO2 muundamiseks keerukateks süsivesikuteks. Põhimõtteliselt toimub kunstlik fotosüntees samade sammudega.
Vaadake Londoni seotud lampide postitusi laadimispunktideks Päikeseenergia Suurbritannias: kuidas päikeseenergia töötab ja millised on selle eelised?
Loodusliku fotosünteesi käigus, mis on osa looduslikust süsiniku ringlusest, läheb meil tehasesse valgust, CO2 ja vett ning taim toodab suhkrut, selgitab ülikooli elektri- ja arvutitehnika osakonnas töötav doktorikraadikandidaat Phil De Luna. Toronto. Kunstlikus fotosünteesis kasutame anorgaanilisi seadmeid ja materjale. Tegeliku päikese kogumise osa teevad päikesepatareid ja energia muundamise osa tehakse elektrokeemiliste [reaktsioonidega katalüsaatorite juuresolekul].
Selle protsessi jaoks meeldib tõepoolest võime toota kütust pikaajaliseks energia salvestamiseks. See on palju rohkem kui praegused taastuvad energiaallikad, isegi areneva akutehnoloogiaga. Kui päikest pole väljas või pole näiteks tuulist päeva, lõpetavad päikesepaneelid ja tuulepargid lihtsalt tootmise. Pikaajaliseks hooajaliseks ladustamiseks ja komplekskütustes ladustamiseks vajame paremat lahendust, ütleb De Luna. Patareid on suurepärased igapäevaselt, telefonide ja isegi autode jaoks, kuid me ei kavatse kunagi käivitada akuga [Boeing] 747.
Lahendatavad väljakutsed
Mis puutub päikesepatareide loomisse - esimene samm kunstliku fotosünteesi protsessis - on meil tehnoloogia juba olemas: päikeseenergiasüsteemid. Kuid praegused fotogalvaanilised paneelid, mis on tavaliselt pooljuhil põhinevad süsteemid, on loodusega võrreldes suhteliselt kallid ja ebaefektiivsed. Vaja on uut tehnoloogiat; selline, mis raiskab palju vähem energiat.
Gary Hastings ja tema meeskond Georgia osariigi ülikool, Atlanta , võib taimedes algset protsessi vaadates komistada lähtekohale. Fotosünteesis hõlmab ülioluline punkt elektronide liikumist rakus teatud kaugusel. Väga lihtsalt öeldes on see päikesevalguse põhjustatud liikumine, mis hiljem muundatakse energiaks. Hastings näitas, et protsess on oma olemuselt väga tõhus, kuna need elektronid ei saa oma algsesse asendisse tagasi minna: kui elektron läheb tagasi sinna, kust ta tuli, siis päikeseenergia kaob. Kuigi see võimalus on taimedel haruldane, juhtub seda päikesepaneelides üsna sageli, selgitades, miks need on tegelikust vähem tõhusad.
Hastings usub, et see uuring edendab tõenäoliselt kemikaalide või kütuse tootmisega seotud päikesepatareide tehnoloogiaid, kuid ta juhib kiiresti tähelepanu sellele, et see on praegu vaid idee ja tõenäoliselt ei toimu see edasiminek niipea. Nendel ideedel põhineva täiesti kunstliku päikesepatarei tehnoloogia valmistamise osas usun, et tehnoloogia on tulevikus kaugemal, tõenäoliselt mitte järgmise viie aasta jooksul isegi prototüübi puhul.
Üks probleem, mida uurijad usuvad, et oleme lahenduse lähedal, hõlmab protsessi teist etappi: CO2 muundamist kütuseks. Kuna see molekul on väga stabiilne ja selle purustamiseks kulub uskumatult palju energiat, kasutab tehissüsteem katalüsaatoreid vajaliku energia vähendamiseks ja reaktsiooni kiirendamiseks. Kuid selline lähenemine toob kaasa oma probleemide komplekti. Viimase kümne aasta jooksul on tehtud palju katseid katalüsaatoritega, mis on valmistatud mangaanist, titaanist ja koobaltist, kuid pikaajaline kasutamine on osutunud probleemiks. Teooria võib tunduda hea, kuid nad kas töötavad mõne tunni pärast, muutuvad ebastabiilseks, aeglaseks või käivitavad muid keemilisi reaktsioone, mis võivad rakku kahjustada.
Aga Kanada ja Hiina teadlaste koostöö näib olevat jackpotile jõudnud . Nad leidsid viisi, kuidas ühendada nikkel, raud, koobalt ja fosfor neutraalse pH tasemega töötamiseks, mis muudab süsteemi töötamise oluliselt lihtsamaks. Kuna meie katalüsaator suudab hästi töötada neutraalse pH-ga elektrolüüdis, mis on vajalik CO2 vähendamiseks, saame CO2 reduktsiooni elektrolüüsi käivitada membraanivabas süsteemis ja seega saab pinget vähendada, ütleb Bo Zhang osakonnast Hiina Fudani ülikooli makromolekulaarse teaduse eriala. Muljetavaldava 64% elektri-keemilise energia muundamise abil on meeskond nüüd kunstliku fotosünteesi süsteemide kõrgeima efektiivsusega rekordiomanikud.
failide ülekandmine arvutist android wifisse
Suurim probleem, mis meil praegu on, on ulatus
Nende jõupingutuste eest jõudis meeskond NRG COSIA Carbon XPRIZE-s poolfinaali, mis võib neile uurimistöö eest võita 20 miljonit dollarit. Eesmärk on arendada läbimurretehnoloogiaid, mis muudavad elektrijaamade ja tööstusrajatiste süsinikdioksiidi heitkogused väärtuslikeks toodeteks ning nende täiustatud kunstlike fotosünteesisüsteemidega on neil head võimalused.
Järgmine väljakutse on suurendamine. Suurim probleem, mis meil praegu on, on ulatus. Suurendades kaotame lõpuks tõhususe, ütleb De Luna, kes osales ka Zhangi uuringus. Õnneks pole teadlased oma täiustuste loendit ammendanud ja püüavad nüüd erinevate kompositsioonide ja erinevate konfiguratsioonide abil katalüsaatoreid tõhusamaks muuta.
Võit kahel rindel
Nii lühi- kui ka pikaajalises perspektiivis on kindlasti veel arenguruumi, kuid paljude arvates on kunstlikul fotosünteesil võimalik saada oluliseks vahendiks kui puhas ja jätkusuutlik tehnoloogia tulevikus.
See on uskumatult põnev, sest väli liigub nii kiiresti. Kommertsialiseerimisega seoses oleme murdepunktis, ütleb De Luna, lisades, et see, kas see töötab, sõltub paljudest teguritest, sealhulgas avalikust poliitikast ja tööstuse omaksvõtust taastuvenergia tehnoloogia aktsepteerimiseks.
Teaduse õigeks saamine on siis tegelikult ainult esimene samm. Hastingsi ja Zhangi taoliste uuringute tulemusel on otsustav samm kunstliku fotosünteesi kaasamiseks meie ülemaailmsesse taastuvenergia strateegiasse. Panused on suured. Kui see läbi lööb, on meil võit kahel rindel - mitte ainult kütuste ja keemiatoodete tootmine, vaid ka selle käigus süsiniku jalajälje vähendamine.
