פוטוסינתזה מלאכותית: הטכנולוגיה של שני באחד שיכולה להציל את כדור הארץ

פוטוסינתזה: מנגנון בסיסי לחיים על הפלנטה הזו, מכה של סטודנטים לביולוגיה של GCSE, וכעת דרך פוטנציאלית להילחם בשינויי האקלים. מדענים עובדים קשה על מנת לפתח שיטה מלאכותית המדמה כיצד צמחים משתמשים באור שמש כדי להפוך CO2 ומים למשהו שאנו יכולים להשתמש בו כדלק. אם זה עובד, זה יהיה תרחיש win-win עבורנו: לא רק שנרוויח מאנרגיה מתחדשת המופקת באופן זה, אלא שהיא יכולה גם להיות דרך חשובה להפחתת רמות ה- CO2 באטמוספרה.

עם זאת, לקח לצמחים מיליארדי שנים לפתח פוטוסינתזה, ולא תמיד משימה קלה לשחזר את המתרחש בטבע. כרגע השלבים הבסיסיים בפוטוסינתזה מלאכותית עובדים, אך לא ביעילות רבה. החדשות הטובות הן שמחקר בתחום זה הולך ומתגבר ויש קבוצות ברחבי העולם שעושות צעדים לקראת רתימת תהליך אינטגרלי זה.

פוטוסינתזה דו-שלבית

פוטוסינתזה אינה עוסקת רק בלכידת אור השמש. לטאה רוחצת בשמש החמה יכולה לעשות זאת. פוטוסינתזה התפתחה בצמחים כדרך ללכוד ולאחסן את האנרגיה הזו (סיבית הצילום) ולהמיר אותה לפחמימות (סיבית הסינתזה). צמחים משתמשים בסדרת חלבונים ואנזימים המופעלים על ידי אור שמש כדי לשחרר אלקטרונים, אשר בתורם משמשים להמרת CO2 לפחמימות מורכבות. ביסודו של דבר, פוטוסינתזה מלאכותית פועלת על פי אותם השלבים.

ראה עמדות מנורות קשורות בלונדון הופכות לנקודות טעינה באנרגיה סולארית בבריטניה: כיצד פועל אנרגיה סולארית ומה היתרונות שלה?

בפוטוסינתזה טבעית, שהיא חלק ממעגל הפחמן הטבעי, יש לנו אור, CO2 ומים שנכנסים לצמח והצמח מייצר סוכר, מסביר פיל דה לונה, מועמד לתואר שלישי העובד במחלקה להנדסת חשמל ומחשבים באוניברסיטה. מטורונטו. בפוטוסינתזה מלאכותית אנו משתמשים במכשירים וחומרים אנאורגניים. החלק הקציר הסולארי בפועל נעשה על ידי תאים סולאריים וחלק המרת האנרגיה נעשה על ידי זרזים אלקטרוכימיים [בנוכחות] זרזים.

מה שבאמת מושך את התהליך הזה הוא היכולת לייצר דלק לאגירת אנרגיה ארוכת טווח. זה הרבה יותר ממה שמקורות האנרגיה המתחדשים הנוכחיים יכולים לעשות, אפילו עם טכנולוגיית סוללות מתפתחת. אם השמש לא בחוץ או אם זה לא יום סוער, למשל, פאנלים סולאריים וחוות רוח פשוט מפסיקים לייצר. לאחסון עונתי ממושך ואחסון בדלקים מורכבים, אנו זקוקים לפיתרון טוב יותר, אומר דה לונה. סוללות נהדרות ליום יום, לטלפונים ואפילו למכוניות, אבל אנחנו אף פעם לא הולכים להפעיל [בואינג] 747 עם סוללה.

אתגרים לפתור

בכל הנוגע ליצירת תאים סולאריים - השלב הראשון בתהליך הפוטוסינתזה המלאכותית - כבר יש לנו את הטכנולוגיה: מערכות אנרגיה סולארית. עם זאת, לוחות פוטו וולטאיים עכשוויים, שהם בדרך כלל מערכות מבוססות מוליכים למחצה, יקרים יחסית ולא יעילים בהשוואה לטבע. יש צורך בטכנולוגיה חדשה; כזה שמבזבז הרבה פחות אנרגיה.

גארי הייסטינגס וצוותו מ אוניברסיטת ג'ורג'יה, אטלנטה , אולי נקלעה לנקודת התחלה כשמסתכלים על התהליך המקורי בצמחים. בפוטוסינתזה הנקודה המכריעה כוללת העברת אלקטרונים למרחק מסוים בתא. במילים פשוטות מאוד, זוהי תנועה זו הנגרמת מאור השמש שהופך מאוחר יותר לאנרגיה. הייסטינגס הראה כי התהליך הוא יעיל מאוד באופיו מכיוון שאלקטרונים אלה אינם יכולים לחזור למצבם המקורי: אם האלקטרון חוזר למקום ממנו הגיע, אז אנרגיית השמש אבודה. אמנם אפשרות זו נדירה בצמחים, אך היא מתרחשת בתדירות גבוהה למדי בפאנלים סולאריים, ומסבירה מדוע הם פחות יעילים מהדבר האמיתי.

הייסטינגס סבור שמחקר זה עשוי לקדם טכנולוגיות של תאים סולאריים הקשורים לייצור כימי או דלק, אך הוא ממהר לציין כי זהו רק רעיון כרגע והתקדמות זו לא צפויה לקרות בקרוב. מבחינת ייצור טכנולוגית תא סולארית מלאכותית שתוכננה על בסיס רעיונות אלה, אני מאמין שהטכנולוגיה תהיה רחוקה יותר בעתיד, ככל הנראה לא בחמש השנים הקרובות אפילו לא אב טיפוס.

אחת החוקרות הבעיה מאמינה שאנחנו קרובים לפתרון כוללת את השלב השני בתהליך: המרת CO2 לדלק. מכיוון שמולקולה זו יציבה מאוד ונדרשת כמות מדהימה של אנרגיה כדי לשבור אותה, המערכת המלאכותית משתמשת בזרזים כדי להוריד את האנרגיה הנדרשת ולעזור להאיץ את התגובה. עם זאת, גישה זו מביאה מערכת בעיות משלה. נעשו ניסיונות רבים בעשר השנים האחרונות, עם זרזים עשויים מנגן, טיטניום וקובלט, אך שימוש ממושך הוכיח את עצמו כבעיה. התיאוריה אולי נראית טובה, אך הן מפסיקות לעבוד לאחר מספר שעות, הופכות להיות לא יציבות, איטיות או מפעילות תגובות כימיות אחרות העלולות לפגוע בתא.

אבל נראה ששיתוף פעולה בין חוקרים קנדים וסינים הגיע לקופה . הם מצאו דרך לשלב ניקל, ברזל, קובלט וזרחן לעבודה ב- pH ניטרלי, מה שמקל על הפעלת המערכת באופן ניכר. מכיוון שהזרז שלנו יכול לעבוד היטב באלקטרוליט pH ניטרלי, הדרוש להפחתת CO2, אנו יכולים להפעיל את האלקטרוליזה של הפחתת CO2 במערכת ללא קרום, ומכאן שניתן להוריד את המתח, אומר בו ג'אנג, מהמחלקה. למדע מקרומולקולרי באוניברסיטת פודאן, סין. עם הסבה מרשימה של 64% חשמל לכימיה מרשימה, הצוות כיום מחזיק שיאים עם היעילות הגבוהה ביותר עבור מערכות פוטוסינתזה מלאכותית.

כיצד למצוא כפילויות בתמונות

הנושא הגדול ביותר עם מה שיש לנו כרגע הוא קנה מידה

על מאמציהם הגיעה הקבוצה לחצי הגמר ב- NRG COSIA Carbon XPRIZE, שעשויה לזכות בה 20 מיליון דולר עבור מחקריהם. המטרה היא לפתח טכנולוגיות פורצות דרך אשר יהפכו את פליטת ה- CO2 מתחנות כוח ומתקנים תעשייתיים למוצרים בעלי ערך ועם מערכות הפוטוסינתזה המלאכותיות המשופרות שלהן, יש להן סיכוי טוב.

האתגר הבא הוא הגדלה. הנושא הגדול ביותר עם מה שיש לנו כרגע הוא קנה מידה. כשאנחנו מתרחבים, בסופו של דבר אנחנו מאבדים יעילות, אומר דה לונה, שהיה מעורב גם במחקר של ג'אנג. למרבה המזל, החוקרים לא מיצו את רשימת השיפורים שלהם, וכעת מנסים להפוך את הזרזים ליעילים יותר באמצעות קומפוזיציות שונות ותצורות שונות.

מנצח בשתי חזיתות

בהחלט יש עדיין מקום לשיפור בטווח הקצר והארוך, אך רבים חשים כי פוטוסינתזה מלאכותית יש פוטנציאל להפוך לכלי חשוב כטכנולוגיה נקייה וקיימת לעתיד.

זה מרגש להפליא כי התחום נע כל כך מהר. מבחינת המסחור, אנו נמצאים בנקודת המפנה, אומר דה לונה והוסיף כי אם זה עובד תלוי בהרבה גורמים, הכוללים מדיניות ציבורית ואימוץ התעשייה לקבל טכנולוגיית אנרגיה מתחדשת.

להשיג נכון את המדע הוא באמת רק הצעד הראשון. בעקבות המחקר של אנשי הייסטינגס וג'אנג יבוא המהלך המכריע לקליטת פוטוסינתזה מלאכותית לאסטרטגיה הגלובלית שלנו סביב אנרגיה מתחדשת. ההימור גבוה. אם זה יעבור, אנו עומדים לנצח בשתי חזיתות - לא רק לייצר דלקים ומוצרים כימיים, אלא גם להקטין את טביעת הרגל הפחמנית שלנו בתהליך.