Fotosynteesi: perustavanlaatuinen mekanismi elämälle tällä planeetalla, GCSE-biologian opiskelijoiden vitsaus ja nyt mahdollinen tapa torjua ilmastonmuutosta. Tutkijat työskentelevät ahkerasti kehittääkseen keinotekoisen menetelmän, joka jäljittelee sitä, miten kasvit käyttävät auringonvaloa muuntaakseen hiilidioksidia ja vettä jonakin, jota voimme käyttää polttoaineena. Jos se toimii, se on meille win-win-skenaario: emme ainoastaan hyödy tällä tavalla tuotetusta uusiutuvasta energiasta, vaan siitä voi myös tulla tärkeä tapa vähentää ilmakehän hiilidioksiditasoja.
Kasveilta kesti kuitenkin miljardeja vuosia kehittääkseen fotosynteesiä, eikä luonnossa tapahtuvan toistaminen ole aina helppoa. Tällä hetkellä keinotekoisen fotosynteesin perusvaiheet toimivat, mutta eivät kovin tehokkaasti. Hyvä uutinen on, että tämän alan tutkimus kiihtyy ja eri puolilla maailmaa on ryhmiä, jotka ottavat askeleita tämän kiinteän prosessin hyödyntämiseksi.
Kaksivaiheinen fotosynteesi
Fotosynteesi ei ole vain auringonvalon vangitsemista. Lisko, joka kylpee lämpimässä auringossa, voi tehdä sen. Fotosynteesi kehittyi kasveissa tapana siepata ja varastoida tämä energia ("valokuvabitti") ja muuntaa se hiilihydraateiksi ("synteesibitti"). Kasvit käyttävät sarjaa auringonvalolla toimivia proteiineja ja entsyymejä vapauttamaan elektroneja, joita puolestaan käytetään muuttamaan hiilidioksidi monimutkaisiksi hiilihydraateiksi. Pohjimmiltaan keinotekoinen fotosynteesi noudattaa samoja vaiheita.
"Luonnollisessa fotosynteesissä, joka on osa luonnollista hiilen kiertoa, valoa, hiilidioksidia ja vettä pääsee kasviin, ja kasvi tuottaa sokeria", selittää Phil De Luna, tohtorikandidaatti, joka työskentelee sähkö- ja tietokonetekniikan laitoksella. Toronton yliopistosta. ”Keinotekoisessa fotosynteesissä käytämme epäorgaanisia laitteita ja materiaaleja. Varsinainen aurinkokeräysosuus tehdään aurinkokennoilla ja energian muunnos tapahtuu sähkökemiallisilla [reaktioilla, joissa on läsnä] katalyyttejä.
Se, mikä tässä prosessissa todella houkuttelee, on kyky tuottaa polttoainetta pitkäaikaista energian varastointia varten. Tämä on paljon enemmän kuin mitä nykyiset uusiutuvat energialähteet voivat tehdä, jopa nousevalla akkuteknologialla. Jos aurinko ei paista tai ei ole tuulinen päivä, esimerkiksi aurinkopaneelit ja tuulivoimalat lopettavat tuotannon. "Tarvitsemme paremman ratkaisun pitkäaikaiseen kausivarastointiin ja monimutkaisten polttoaineiden varastointiin", De Luna sanoo. "Akut ovat loistavia päivittäiseen käyttöön, puhelimiin ja jopa autoihin, mutta emme koskaan aio käyttää [Boeing] 747:ää akulla."
Haasteet ratkaistavaksi
Mitä tulee aurinkokennojen luomiseen – joka on ensimmäinen askel keinotekoisen fotosynteesin prosessissa – meillä on jo olemassa tekniikka: aurinkovoimajärjestelmät. Nykyiset aurinkopaneelit, jotka ovat tyypillisesti puolijohdepohjaisia järjestelmiä, ovat kuitenkin suhteellisen kalliita ja tehottomia luontoon verrattuna. Tarvitaan uutta teknologiaa; joka kuluttaa paljon vähemmän energiaa.
Gary Hastings ja hänen tiiminsä Georgia State Universitystä Atlantasta ovat saattaneet törmätä lähtökohtaan tarkastellessaan alkuperäistä prosessia kasveissa. Fotosynteesissä ratkaiseva kohta sisältää elektronien siirtämisen tietyn matkan päähän solussa. Yksinkertaisesti sanottuna tämä auringonvalon aiheuttama liike muuttuu myöhemmin energiaksi. Hastings osoitti, että prosessi on luonteeltaan erittäin tehokas, koska nämä elektronit eivät voi palata alkuperäiseen asentoonsa: "Jos elektroni palaa sinne, mistä se tuli, niin aurinkoenergiaa menetetään." Vaikka tämä mahdollisuus on harvinainen kasveissa, se tapahtuu melko usein aurinkopaneeleissa, mikä selittää, miksi ne ovat vähemmän tehokkaita kuin todellinen asia.
Hastings uskoo, että tämä "tutkimus edistää todennäköisesti kemikaalien tai polttoaineiden tuotantoon liittyvää aurinkokennoteknologiaa", mutta hän huomauttaa nopeasti, että tämä on tällä hetkellä vain ajatus, eikä tätä edistystä todennäköisesti tapahdu lähiaikoina. "Näiden ideoiden pohjalta suunnitellun täysin keinotekoisen aurinkokennoteknologian valmistuksen suhteen uskon, että teknologia on kauempana tulevaisuudessa, luultavasti ei seuraavan viiden vuoden sisällä edes prototyypin osalta."
Eräs ongelma, jonka tutkijat uskovat, että olemme lähellä ratkaisua, sisältää prosessin toisen vaiheen: hiilidioksidin muuttamisen polttoaineeksi. Koska tämä molekyyli on erittäin vakaa ja sen rikkomiseen kuluu uskomattoman paljon energiaa, keinotekoinen järjestelmä käyttää katalyyttejä alentaakseen tarvittavaa energiaa ja nopeuttaakseen reaktiota. Tämä lähestymistapa tuo kuitenkin omat ongelmansa. Viimeisten kymmenen vuoden aikana on tehty monia yrityksiä mangaanista, titaanista ja koboltista valmistetuilla katalyyteillä, mutta pitkäaikainen käyttö on osoittautunut ongelmaksi. Teoria saattaa vaikuttaa hyvältä, mutta ne joko lakkaavat toimimasta muutaman tunnin kuluttua, muuttuvat epävakaiksi, hitaita tai laukaisevat muita kemiallisia reaktioita, jotka voivat vahingoittaa solua.
Mutta kanadalaisten ja kiinalaisten tutkijoiden yhteistyö näyttää osuvan jättipottiin. He löysivät tavan yhdistää nikkeliä, rautaa, kobolttia ja fosforia toimimaan neutraalissa pH:ssa, mikä helpottaa järjestelmän käyttöä huomattavasti. "Koska katalyyttimme voi toimia hyvin neutraalissa pH-elektrolyytissä, joka on välttämätön hiilidioksidin vähentämiseen, voimme suorittaa CO2:n pelkistyksen elektrolyysin [a] kalvottomassa järjestelmässä ja siten jännitettä voidaan alentaa", sanoo Bo Zhang. makromolekyylitieteen laitos Fudanin yliopistossa Kiinassa. Vaikuttavalla 64 % sähkö-kemiallisella tehomuunnolla tiimi on nyt ennätystenhaltijoita, joilla on tehokkain keinotekoisten fotosynteesijärjestelmien tehokkuus.
"Suurin ongelma meillä tällä hetkellä on mittakaava"
Tiimi pääsi ponnisteluistaan semifinaaliin NRG COSIA Carbon XPRIZE -kilpailussa, mikä voi voittaa heille 20 miljoonaa dollaria tutkimukselleen. Tavoitteena on "kehittää läpimurtoteknologioita, jotka muuttavat voimalaitosten ja teollisuuslaitosten hiilidioksidipäästöt arvokkaiksi tuotteiksi", ja niillä on parannetuilla keinotekoisilla fotosynteesijärjestelmillä hyvät mahdollisuudet.
Seuraava haaste on skaalaus. "Suurin ongelma meillä tällä hetkellä on mittakaava. Kun skaalaamme, menetämme tehokkuutta", sanoo De Luna, joka oli myös mukana Zhangin tutkimuksessa. Onneksi tutkijat eivät ole käyttäneet loppuun parannusluetteloaan, ja he yrittävät nyt tehdä katalyytteistä tehokkaampia erilaisilla koostumuksilla ja eri kokoonpanoilla.
Voitto kahdella rintamalla
Parantamisen varaa on varmasti vielä sekä lyhyellä että pitkällä aikavälillä, mutta monet uskovat, että keinotekoisella fotosynteesillä on potentiaalia tulla tärkeäksi työkaluksi puhtaana ja kestävänä teknologiana tulevaisuutta varten.
"Se on uskomattoman jännittävää, koska ala liikkuu niin nopeasti. Kaupallistamisen suhteen olemme käännekohdassa", sanoo De Luna ja lisää, että sen toimivuus "riippuu monista tekijöistä, kuten julkisesta politiikasta ja alan hyväksymisestä uusiutuvan energian teknologiaan. .”
Tieteen saaminen oikein on siis vasta ensimmäinen askel. Hastingsin ja Zhangin kaltaisten tutkimusten jälkeen tulee ratkaiseva askel keinotekoisen fotosynteesin sisällyttämiseksi globaaliin uusiutuvan energian strategiaamme. Panokset ovat korkeat. Jos se onnistuu, voimme voittaa kahdella rintamalla – polttoaineiden ja kemiallisten tuotteiden tuotannon lisäksi myös hiilijalanjälkemme pienentämisessä.