Växter omvandlar solljus till energi genom fotosyntes. Kan vi göra detsamma? iStockphoto.com/ooyoo Om den smartaste energikällan är riklig, billigt och rent, då är växter mycket smartare än människor. Över miljarder år, de utvecklade kanske den mest effektiva strömförsörjningen i världen: fotosyntes , eller omvandling av solljus, koldioxid och vatten till användbart bränsle, avger användbart syre i processen.
När det gäller växter (liksom alger och vissa bakterier), "användbart bränsle" är kolhydrater, proteiner och fetter. Människor, å andra sidan, letar efter flytande bränsle för att driva bilar och el för att driva kylskåp. Men det betyder inte att vi inte kan leta efter fotosyntes för att lösa våra smutsiga, dyr-, minskande energi elände. I åratal, forskare har försökt hitta ett sätt att använda samma energisystem som växter gör men med en ändrad slutproduktion.
Använder inget annat än solljus som energiinmatning, växter utför massiva energiomvandlingar, vänder 1, 102 miljarder ton (1, 000 miljarder ton) CO 2 i organiskt material, d.v.s. energi för djur i form av mat, varje år [källa:Hunter]. Och det är bara att använda 3 procent av solljuset som når jorden [källa:Boyd].
Energin som är tillgänglig i solljus är en outnyttjad resurs som vi bara har börjat ta hand om. Nuvarande solcellsteknik, vanligtvis ett halvledarbaserat system, är dyr, inte särskilt effektivt, och gör omedelbara omvandlingar från solljus till el - energiproduktionen lagras inte under en regnig dag (även om det kan förändras:Se "Finns det ett sätt att få solenergi på natten?"). Men ett artificiellt fotosyntesystem eller en fotoelektrokemisk cell som efterliknar vad som händer i växter kan potentiellt skapa en oändlig, relativt billig leverans av all ren "gas" och el vi behöver för att driva våra liv - och i en lagringsbar form, för.
I den här artikeln, vi ska titta på artificiell fotosyntes och se hur långt det har kommit. Vi får reda på vad systemet måste kunna göra, kolla in några aktuella metoder för att uppnå artificiell fotosyntes och se varför det inte är lika enkelt att designa som vissa andra energiomvandlingssystem.
Så, vad måste ett artificiellt fotosyntesystem kunna göra?
Innehåll
För att återskapa fotosyntesen som växter har fulländat, ett energiomvandlingssystem måste kunna göra två viktiga saker (förmodligen inuti någon typ av nanorör som fungerar som det strukturella "bladet"):skörda solljus och klyva vattenmolekyler.
Växter utför dessa uppgifter med hjälp av klorofyll, som fångar solljus, och en samling proteiner och enzymer som använder det solljuset för att bryta ner H 2 O -molekyler till väte, elektroner och syre (protoner). Elektronerna och vätet används sedan för att vända CO 2 i kolhydrater, och syret utvisas.
För att ett konstgjort system ska fungera för mänskliga behov, utgången måste ändras. Istället för att endast släppa ut syre i slutet av reaktionen, det måste också frigöra flytande väte (eller kanske metanol). Att väte kan användas direkt som flytande bränsle eller kanaliseras in i en bränslecell. Att få processen att producera väte är inget problem, eftersom det redan finns där i vattenmolekylerna. Och fånga solljus är inte ett problem-nuvarande solenergisystem gör det.
Den hårda delen är att dela upp vattenmolekylerna för att få elektronerna nödvändiga för att underlätta den kemiska processen som producerar vätet. Klyvning av vatten kräver en energieffekt på cirka 2,5 volt [källa:Hunter]. Det betyder att processen kräver en katalysator - något för att få det hela att röra på sig. Katalysatorn reagerar med solens fotoner för att initiera en kemisk reaktion.
Det har skett viktiga framsteg inom detta område under de senaste fem eller tio åren. Några av de mer framgångsrika katalysatorerna inkluderar:
En gång perfekt, dessa system kan förändra hur vi driver vår värld.
NREL -forskaren John Turner demonstrerar förmågan hos en fotoelektrokemisk (PEC) cell att producera väte från vatten med hjälp av energi från en ljuskälla. Bild med tillstånd av Warren Gretz, National Renewable Energy Laboratory Fossila bränslen är bristfälliga, och de bidrar till föroreningar och global uppvärmning. Kol, medan det är rikligt, är mycket förorenande både för människokroppar och för miljön. Vindkraftverk skadar pittoreska landskap, majs kräver enorma jordbruksmarker och nuvarande solcellsteknik är dyr och ineffektiv. Konstgjord fotosyntes kan erbjuda en ny, möjligen perfekt väg ut ur vår energiprocess.
För en sak, det har fördelar jämfört med solceller, finns i dagens solpaneler. Den direkta omvandlingen av solljus till el i fotovoltaiska celler gör solenergi till en väder- och tidsberoende energi, vilket minskar dess nytta och ökar priset. Konstgjord fotosyntes, å andra sidan, kan producera ett lagringsbart bränsle.
Och till skillnad från de flesta metoder för att generera alternativ energi, artificiell fotosyntes har potential att producera mer än en typ av bränsle. Den fotosyntetiska processen kunde justeras så att reaktionerna mellan ljus, CO 2 och H. 2 O producerar slutligen flytande väte. Flytande väte kan användas som bensin i vätgasdrivna motorer. Det kan också dras in i en bränslecellsinställning, vilket effektivt skulle vända fotosyntesprocessen, skapa el genom att kombinera väte och syre i vatten. Vätebränsleceller kan generera elektricitet som de saker vi får från nätet, så vi skulle använda den för att köra vår luftkonditionering och varmvattenberedare.
Ett aktuellt problem med storskalig vätenergi är frågan om hur man effektivt-och rent-genererar flytande väte. Konstgjord fotosyntes kan vara en lösning.
Metanol är en annan möjlig effekt. Istället för att avge rent väte i fotosyntesprocessen, den fotoelektrokemiska cellen skulle kunna generera metanolbränsle (CH 3 ÅH). Metanol, eller metylalkohol, härrör vanligtvis från metan i naturgas, och det läggs ofta till kommersiell bensin för att det ska brinna mer rent. Vissa bilar kan till och med köras på metanol ensam.
Möjligheten att producera ett rent bränsle utan att generera några skadliga biprodukter, som växthusgaser, gör artificiell fotosyntes till en idealisk energikälla för miljön. Det skulle inte kräva gruvdrift, växer eller borrar. Och eftersom varken vatten eller koldioxid för närvarande är bristfällig, det kan också vara en gränslös källa, potentiellt billigare än andra energiformer i längden. Faktiskt, denna typ av fotoelektrokemisk reaktion kan till och med avlägsna stora mängder skadligt CO 2 från luften när bränsle produceras. Det är en win-win-situation.
Men vi är inte där ännu. Det finns flera hinder i vägen för att använda artificiell fotosyntes i massskala.
Naturen har fulländat fotosyntesprocessen under miljarder år. Det blir inte lätt att replikera det i ett syntetiskt system. iStockphoto.com/Zemdega Medan artificiell fotosyntes fungerar i labbet, den är inte redo för massförbrukning. Att replikera vad som händer naturligt i gröna växter är inte en enkel uppgift.
Effektivitet är avgörande för energiproduktion. Växter tog miljarder år att utveckla fotosyntesprocessen som fungerar effektivt för dem; att replikera att i ett syntetiskt system tar mycket prövning och fel.
Mangan som fungerar som katalysator i växter fungerar inte lika bra i en konstgjord installation, mestadels för att mangan är något instabil. Det håller inte särskilt länge, och det löser sig inte i vatten, att göra ett manganbaserat system något ineffektivt och opraktiskt. Det andra stora hindret är att molekylär geometri i växter är utomordentligt komplex och exakt-de flesta konstgjorda inställningar kan inte replikera denna nivå av inveckling.
Stabilitet är en fråga i många potentiella fotosyntessystem. Organiska katalysatorer bryts ofta ner, eller de utlöser ytterligare reaktioner som kan skada cellens funktion. Oorganiska metalloxidkatalysatorer är en god möjlighet, men de måste arbeta tillräckligt snabbt för att effektivt kunna använda fotonerna som häller in i systemet. Den typen av katalytisk hastighet är svår att få fram. Och några metalloxider som har hastigheten saknas i ett annat område - överflöd.
I de nuvarande toppmoderna färgämnesensibiliserade cellerna, problemet är inte katalysatorn; istället, det är elektrolytlösningen som absorberar protonerna från de kluvna vattenmolekylerna. Det är en viktig del av cellen, men den är gjord av flyktiga lösningsmedel som kan urholka andra komponenter i systemet.
Framstegen de senaste åren börjar ta itu med dessa frågor. Koboltoxid är en stabil, snabb och riklig metalloxid. Forskare i färgkänsliga celler har kommit på en lösningsbaserad lösning för att ersätta de frätande ämnena.
Forskning inom artificiell fotosyntes tar upp ånga, men det kommer inte att lämna labbet snart. Det kommer att ta minst 10 år innan den här typen av system är verklighet [källa:Boyd]. Och det är en ganska hoppfull uppskattning. Vissa människor är inte säkra på att det någonsin kommer att hända. Fortfarande, vem kan motstå att hoppas på konstgjorda växter som beter sig som den riktiga saken?
