Искусственный фотосинтез - забытый брат солнечной энергии - возвращается с новой силой
Привет. В статье в журнале Science, опубликованной в 1912 году, профессор Джакомо Чиамян отметил, что «уголь ... предлагает солнечную энергию человечеству в его наиболее концентрированной форме ... но уголь не является неисчерпаемым. Является ли ископаемая солнечная энергия единственной, которая может быть использована в современной жизни и цивилизации?» Позднее в статье, озаглавленной «Фотохимия будущего», он замечает:
«Стеклянные здания будут расти повсюду; внутри них будут происходить фотохимические процессы, которые до сих пор были охраняемым секретом растений, но которые будут осваиваться человеческой промышленностью, которая будет понимать, как заставить их нести еще более изобильные плоды, чем в природе, поскольку природа не находится в режиме срочной необходимости, и человечество ... жизнь и цивилизация будут продолжаться до тех пор, пока светит солнце! »
Более чем через столетие после того, как Чиамян впервые предположил искусственный фотосинтез как средство отхода от ископаемого топлива, стремление сделать его реальностью продолжается и с новой силой и скоростью.
В то время как солнечные батареи работают в теоретических пределах своей эффективности, все еще есть место для искусственного фотосинтеза, который является давно забытой идеей. Похоже, что люди будут продолжать использовать жидкое и твердое топливо, которое может быть сожжено, тогда как солнечные батареи могут обеспечить только электричество.
Изменение климата дает новый импульс для исследований искусственного фотосинтеза. Растения делают что-то еще, что очень полезно: поглощают углекислый газ. Большинство климатических моделей, которые позволяют нам соблюдать лимит Парижского соглашения в 2 градуса Цельсия, требуют большого количества биоэнергии с улавливанием и хранением углерода. Это технология отрицательных выбросов, когда растения улавливают углекислый газ, они превращаются в биотопливо, и когда эти виды топлива сжигаются, углерод улавливается и поглощается под землей.
Искусственный фотосинтез может быть углеродно-отрицательным источником жидкого топлива, такого как этанол. Зеленые защитники часто рекламируют "водородную экономику" как решение проблемы сокращения выбросов углерода. Вместо замены всей нашей инфраструктуры-с ее опорой на твердое и жидкое топливо - мы просто заменяем топливо. Топливо, такое как водород или этанол, может быть произведено в конечном счете за счет солнечной энергии, как при искусственном фотосинтезе, поэтому мы можем продолжать использовать жидкое топливо с меньшим экологическим ущербом. Электрификация может оказаться сложнее, чем просто переключение бензина на этанол.
Таким образом, искусственный фотосинтез явно стоит исследовать, и в последнее время были достигнуты большие успехи.
Огромные инвестиции от правительств и благотворительных предпринимателей, таких как Билл Гейтс, были направлены в солнечное топливо. Исследовано несколько различных фотохимических процессов, но некоторые из них уже могут быть более эффективными, чем растения для заявленных целей.
В документе, опубликованном Национальной лабораторией Министерства энергетики США, в сентябре 2017 года «Энергетика и экология», описывается новый процесс, который может превращать CO2 в этанол, который, в свою очередь, может использоваться в качестве топлива и уже составляет 10 процентов бензина в США. И этилен, который является важным химическим веществом, используемым в промышленности, возможно, наиболее известным как полиэтиленовый пластик. Это была первая демонстрация успешной прямой конверсии углекислого газа в топливо и пластиковые прекурсоры.
В недавней публикации, опубликованной в журнале Nature Catalysis в этом году, обсуждается методика, при которой фотоэлектрические панели подключаются к устройству, которое электролизует углекислый газ. Затем микроб, который дышит анаэробно, превращает углекислый газ и воду вместе с электрической энергией, собранной с солнечных панелей, в бутанол.
Они отметили, что их способность конвертировать электрическую энергию в нужные продукты близка к 100 процентам, а система в целом может достичь до 8 процентов эффективности преобразования солнечного света в топливо. Сегодя, даже самые производительные растения, такие как сахарный тростник, достигают лишь 6-процентной эффективности. Он очень выгодно отличается от некоторых видов биотоплива, которые в настоящее время используются, таких как кукурузный биоэтанол, поскольку кукуруза, как известно, менее эффективна при преобразовании солнечного света в накопленную энергию.
Другие формы искусственного фотосинтеза фокусируются на потенциальном окружающем водороде в качестве топлива. Недавно исследователи из Гарварда представили впечатляющую версию «бионического листа», которая может превращать солнечную энергию в водород. Одним из примечательных преимуществ является то, что его эффективность быстро растет, если вы подвергаете лист воздействию чистого CO2. Мы будем жить в будущем, где огромное количество углекислого газа извлекается из атмосферы, и теперь у нас есть очень хорошая возможность его использования. Хотя в последние годы люди были менее склонны к этой идее (термодинамика использования электричества для разделения воды на водород и кислород не всегда идеальна) все еще проводятся интенсивные исследования, связанные с водородными топливными элементами и водородом для отопления домов, особенно в Японии.
Одна из проблем, связанная с любыми усилиями по искусственному фотосинтезу состоит в том, что чем больше шагов у вас будет в процессе конверсии, тем больше энергии будет потеряно на этом пути. Использование электрифицированных приборов с энергией, вырабатываемой непосредственно от солнца, было бы гораздо более эффективным, чем любая схема превращения электричества и углекислого газа в топливо, которое затем сжигается, чтобы восстановить часть потребляемой электроэнергии.
Кроме того, с экологической и практической точки зрения, создание миллиардов искусственных растений может оказаться гораздо менее осуществимым, чем посев семян для нескольких хорошо выбранных видов биотоплива. С другой стороны, для этих растений часто требуется хороший верхний слой почвы, который быстро ухудшается из-за сельскохозяйственного давления. На биотопливо уже смотрят с подозрением из-за его потенциала использовать землю, которая в противном случае могла бы кормить постоянно растущее население. Одним из главных бонусов искусственного фотосинтеза является то, что вы можете видеть, как эти “растения” цветут в пустыне или даже в океанах.
Как это часто бывает в науке, мы черпаем вдохновение из мира природы, но понимание этих механизмов, их контроль и совершенствование — это довольно сложная задача.
