Fotosinteza: temeljni mehanizam za život na ovom planetu, pošast studenata biologije GCSE-a, a sada i potencijalni način borbe protiv klimatskih promjena. Znanstvenici naporno rade na razvoju umjetne metode koja oponaša kako biljke koriste sunčevu svjetlost za pretvaranje CO2 i vode u nešto što možemo koristiti kao gorivo. Ako uspije, to će za nas biti win-win scenarij: ne samo da ćemo imati koristi od obnovljive energije proizvedene na ovaj način, već bi to mogao postati i važan način za smanjenje razine CO2 u atmosferi.
Međutim, biljkama su bile potrebne milijarde godina da razviju fotosintezu i nije uvijek lak zadatak ponoviti ono što se događa u prirodi. Trenutno osnovni koraci u umjetnoj fotosintezi rade, ali ne baš učinkovito. Dobra vijest je da istraživanja u ovom području ubrzavaju i da postoje skupine diljem svijeta koje poduzimaju korake prema iskorištavanju ovog integralnog procesa.
Fotosinteza u dva koraka
Fotosinteza nije samo hvatanje sunčeve svjetlosti. To može učiniti gušter koji se kupa na toplom suncu. Fotosinteza je evoluirala u biljkama kao način za hvatanje i pohranjivanje te energije (bit "fotografije") i pretvaranje u ugljikohidrate (bit "sinteze"). Biljke koriste niz proteina i enzima koje pokreće sunčeva svjetlost za oslobađanje elektrona, koji se zauzvrat koriste za pretvaranje CO2 u složene ugljikohidrate. U osnovi, umjetna fotosinteza slijedi iste korake.
"U prirodnoj fotosintezi, koja je dio prirodnog ciklusa ugljika, svjetlost, CO2 i voda ulaze u biljku i biljka stvara šećer", objašnjava Phil De Luna, doktorski kandidat koji radi na Odjelu za elektrotehniku i računalstvo na sveučilište u Torontu. “U umjetnoj fotosintezi koristimo anorganske uređaje i materijale. Stvarni dio prikupljanja sunčeve energije obavljaju solarne ćelije, a dio pretvorbe energije obavlja se elektrokemijskim [reakcijama u prisutnosti] katalizatora.”
Ono što zaista privlači ovaj proces je sposobnost proizvodnje goriva za dugotrajno skladištenje energije. To je puno više od onoga što sadašnji obnovljivi izvori energije mogu učiniti, čak i uz novu tehnologiju baterija. Ako sunce nije vani ili ako nije vjetrovit dan, na primjer, solarni paneli i vjetroelektrane jednostavno prestaju proizvoditi. "Za dugotrajno sezonsko skladištenje i skladištenje u složenim gorivima, potrebno nam je bolje rješenje", kaže De Luna. “Baterije su odlične za svaki dan, za telefone, pa čak i za automobile, ali nikada nećemo pokretati [Boeing] 747 s baterijom.”
Izazovi za rješavanje
Kada je u pitanju stvaranje solarnih ćelija – prvi korak u procesu umjetne fotosinteze – već imamo razvijenu tehnologiju: solarne sustave. Međutim, trenutni fotonaponski paneli, koji su tipično poluvodički sustavi, relativno su skupi i neučinkoviti u usporedbi s prirodom. Potrebna je nova tehnologija; onaj koji troši daleko manje energije.
Gary Hastings i njegov tim sa sveučilišta Georgia State, Atlanta, možda su naišli na početnu točku gledajući izvorni proces u biljkama. U fotosintezi, ključna točka uključuje pomicanje elektrona na određenoj udaljenosti u stanici. Vrlo jednostavno rečeno, to je kretanje uzrokovano sunčevom svjetlošću koje se kasnije pretvara u energiju. Hastings je pokazao da je proces vrlo učinkovit u prirodi jer se ti elektroni ne mogu vratiti u prvobitni položaj: "Ako se elektron vrati tamo odakle je došao, tada se gubi sunčeva energija." Iako je ova mogućnost rijetka u biljkama, to se događa prilično često u solarnim panelima, objašnjavajući zašto su manje učinkoviti od stvarnih.
Hastings vjeruje da će ovo "istraživanje vjerojatno unaprijediti tehnologije solarnih ćelija koje se odnose na proizvodnju kemikalija ili goriva", ali brzo ističe da je to u ovom trenutku samo ideja i malo je vjerojatno da će se taj napredak dogoditi u skorije vrijeme. "Što se tiče izrade potpuno umjetne tehnologije solarnih ćelija koja je dizajnirana na temelju ovih ideja, vjerujem da je tehnologija daleko dalje u budućnosti, vjerojatno ne u sljedećih pet godina čak ni za prototip."
Jedan problem koji istraživači vjeruju da smo blizu rješavanja uključuje drugi korak u procesu: pretvaranje CO2 u gorivo. Kako je ova molekula vrlo stabilna i potrebna je nevjerojatna količina energije da se razbije, umjetni sustav koristi katalizatore kako bi smanjio potrebnu energiju i pomogao ubrzati reakciju. Međutim, ovaj pristup donosi svoj skup problema. Bilo je mnogo pokušaja u posljednjih deset godina, s katalizatorima izrađenim od mangana, titana i kobalta, ali se dugotrajna uporaba pokazala kao problem. Teorija se može činiti dobrom, ali oni ili prestanu djelovati nakon nekoliko sati, postaju nestabilni, spori ili pokreću druge kemijske reakcije koje mogu oštetiti stanicu.
No čini se da je suradnja između kanadskih i kineskih istraživača pogodila jackpot. Pronašli su način kombiniranja nikla, željeza, kobalta i fosfora za rad u neutralnom pH, što znatno olakšava rad sustava. “Budući da naš katalizator može dobro raditi u neutralnom pH elektrolitu, koji je neophodan za redukciju CO2, možemo pokrenuti elektrolizu redukcije CO2 u [a] sustavu bez membrane i stoga se napon može smanjiti”, kaže Bo Zhang, iz Odjel za makromolekularnu znanost na Sveučilištu Fudan, Kina. Uz impresivnih 64% pretvorbe električne energije u kemijsku, tim je sada rekorder s najvećom učinkovitošću za sustave umjetne fotosinteze.
"Najveći problem s onim što trenutno imamo je razmjer"
Za svoje napore tim je stigao do polufinala na NRG COSIA Carbon XPRIZE, što bi im moglo donijeti 20 milijuna dolara za svoje istraživanje. Cilj je "razviti revolucionarne tehnologije koje će pretvoriti emisije CO2 iz elektrana i industrijskih objekata u vrijedne proizvode", a sa svojim poboljšanim sustavima umjetne fotosinteze imaju dobre šanse.
Sljedeći izazov je skaliranje. “Najveći problem s ovim što trenutno imamo je razmjer. Kada se povećamo, na kraju gubimo učinkovitost”, kaže De Luna, koji je također bio uključen u Zhangovu studiju. Srećom, istraživači nisu iscrpili svoj popis poboljšanja i sada pokušavaju učiniti katalizatore učinkovitijim kroz različite sastave i različite konfiguracije.
Pobjeda na dva fronta
Zasigurno još uvijek ima prostora za poboljšanje i kratkoročno i dugoročno, ali mnogi smatraju da umjetna fotosinteza ima potencijal postati važan alat kao čista i održiva tehnologija za budućnost.
“Nevjerojatno je uzbudljivo jer se teren tako brzo kreće. Što se tiče komercijalizacije, mi smo na prijelomnoj točki,” kaže De Luna, dodajući da će, hoće li funkcionirati, “ovisiti o puno čimbenika, koji uključuju javnu politiku i prihvaćanje tehnologije obnovljive energije od strane industrije .”
Ispravna znanost zapravo je tek prvi korak. Na tragu istraživanja poput Hastingsa i Zhanga doći će do ključnog poteza za apsorbiranje umjetne fotosinteze u našu globalnu strategiju oko obnovljive energije. Ulozi su visoki. Ako se uspije, možemo pobijediti na dva fronta – ne samo u proizvodnji goriva i kemijskih proizvoda, već iu smanjenju ugljičnog otiska u tom procesu.