Fot. Getty Images
Ostatnie osiągnięcia technologiczne bliżej wykorzystanie sztucznej fotosyntezy do produkcji czystej energii
Raz dwie grupy badawcze poinformowały o poważnych sukcesów na drodze do sztucznej fotosyntezy — procesu, w którym woda rozpada się światłem słonecznym z utworzeniem wodoru i tlenu. Wodór i tlen przy tym tworzą efektywne i ekologiczne paliwo: podczas reakcji powstaje znowu woda. Niemieccy naukowcy opracowali skuteczny katalizator, zapewniający rozkład wody. Tymczasem naukowcy z brytyjskiego Cambridge zaproponowali system полуискусственного fotosyntezy za pomocą poszczególnych elementów żywych organizmów.
Prawie cała energia wykorzystywana przez ludzkość, dociera do nas od Słońca (wyjątek — energia rozpadu uranu, który idzie z innego źródła — dawno wygasłych gwiazd). To właśnie energia słoneczna jest zawarta we wszystkich rodzajach paliw kopalnych: jej właśnie się skończyły się dla nas żywe organizmy dawnych epok.
Żywa natura opracowała wyjątkowo skuteczny sposób, aby wykorzystać energię Słońca — fotosynteza. Przyleciał od Słońca foton rośliny i sinice używają, aby rozbić cząsteczkę wody na tlen i wodór. Tlen natychmiast wyrzucić, a wodór w końcu wykorzystują do tego, aby ukryć im cząsteczkę dwutlenku węgla, zamieniając ją w materii organicznej. Z tej samej materii organicznej, czyli energię wiązań chemicznych między węglem i wodorem, ludzkość i wykorzystuje, spalanie paliw kopalnych lub bezpośrednio części roślin (np. drewno).
Synteza substancji organicznych z dwutlenku węgla, wody i światła słonecznego — proces, który można rośliny tak dobrze, że ludzie nie ma sensu go kopiować: wystarczy posadzić więcej lasów. Jednak inżynierów bardzo przyciąga inna możliwość: jeśli nie doprowadzać naturalny proces do końca, a zatrzymać go na etapie rozkładu wody, można magazynować energię słoneczną w postaci wodoru i tlenu. Wodór i tlen osobno wydzielają wiele mikroorganizmy, ale to połączyć te procesy, aby zapewnić własnej energetyki żywa natura na to nie wpadłam (znalazła się do tego bardziej wyrafinowane i bezpieczne reakcje chemiczne). Tymczasem taki proces mógłby wielokrotnie pokryć wszystkie dzisiejsze potrzeby energetyczne ludzkości.
Jochen Feldman i Jacek Столарчик z Monachium, a także Frank Вюртнер z Würzburga postanowili kluczową problem: jak skutecznie podzielić wodę na wodór i tlen i nie dać im się połączyć z powrotem. Ich podejście opiera się na dość tradycyjnej technologii stosowania półprzewodników. Po absorpcji fotonu w zabronionego powstaje para elektron i pozytywnie naładowana “dziury”. Elektron jest używany do tego, aby “odzyskać” z wody wodór. W dotychczasowych rozwiązaniach technicznych “dziury” starali się jak najszybciej usunąć z półprzewodników za pomocą odczynników chemicznych, i w ten sposób druga, bardziej powolna część reakcji — “utlenianie” tlenu “dziurą” — pozostała неосуществленной.
Po co nam wykorzystać osiągnięcia starożytnych roślin, jeśli my sami nauczymy się robić to samo co oni, tylko lepiej?
Ten problem i postanowili naukowcy. W ich systemie dwie połówki reakcje zachodzą na jednej наночастице, choć i rozmieszczone w przestrzeni. Nanocząstki stanowią pręty z półprzewodnika, siarczanu kadmu. Na końce prętów zadane cząsteczki platyny, która służy jako akceptora dla wzbudzonych elektronów. Tam zachodzi reakcja redukcji wodoru. Tymczasem na boczne powierzchnie prętów zadanych opracowanej przez naukowców katalizator na bazie rutenu: zapewnia wyjątkowo szybką dostawę “dziur” na jony tlenu. Prędkość jest szczególnie ważna, ponieważ “dziury” chemicznie aktywne i szybko niszczą katalizator. W końcu dwie części reakcje kataliziruûtsâ jednego rodzaju nanocząstek, i występuje całkowity rozkład wody na tlen i wodór w jednym etapie.
Naukowcy z Cambridge trzymali się innego podejścia: one połączone w jednym projekcie technologii inżynierii człowieka i składników naturalnych żywych systemów. Otrzymany w wyniku procesu dał badaczom niespodzianka: pozwolił wykorzystać energię promieniowania słonecznego nawet bardziej skutecznie, niż to sprawia, że naturalny fotosyntezy w roślinach.
Zalety полуискусственного fotosyntezy w tym, że dla niego nie są potrzebne drogie i toksyczne katalizatory, ograniczające możliwości w pełni sztucznych systemów, takich jak opisane powyżej. Z drugiej strony, полуискусственные procesy, być może wkrótce uda się skalować do przemysłowym poziomie.
Autorzy wykorzystali cząsteczkowego sprzęt naturalnego фотосистемы II, dodając do niego enzym гидрогеназу z alg, rewitalizujący protony do wodoru. Na terenie fotosyntezie nic takiego się nie dzieje, tak jak powstających podczas rozkładu wody protony natychmiast angażują się w inne procesy biochemiczne. Jednak badaczom udało się połączyć dwie biologiczne reakcje, w normalnych warunkach разобщенные: pracę enzymu гидрогеназы i rozszczepienie wody фотосистемой II. Zarówno “na żywo” komponentu ustalone na фотоаноде, pokrywanej specjalnym barwnikiem. W wyniku naturalny proces został zoptymalizowany: zamiast tlenu i przywróconego z CO2 substancji organicznych zmodyfikowany fotosynteza zaczął dawać tylko tlen i wodór — dwie substancje, na których, być może, będzie opierać się “zielona” energia przyszłości.
Pojawienie się w ciągu tygodnia dwóch prac naukowych, z różnych stron atakuje problem sztucznej fotosyntezy, świadczy, że w tej technologii, może nam tak długo czekać. O tym, jak to osiągnięcie zmieni wszystkie, bez wyjątku, technologie przemysłowe, na razie można się tylko domyślać, ale na pewno będzie to oznaczać koniec ery paliw kopalnych. Po co nam wykorzystać osiągnięcia starożytnych roślin, jeśli my sami nauczymy się robić to samo co oni, tylko lepiej?