RSS
Тренды
16 мая 2017, 16:04
Искусственный фотосинтез: революция в солнечной энергетике, но попозже
Будущее солнечной энергетики выглядит ярче, чем когда-либо ранее. Благодаря недавним успехам в развитии технологий, цена на производство электроэнергии солнечными панелями ежегодно снижается в среднем на 10%. Эксперты ожидают, что к 2030 году одна пятая всей потребленной в мире энергии будет поступать от солнечных установок.

Но в то же время на пути дальнейшего развития отрасли есть несколько серьезных препятствий. Эффективность преобразования солнечного света кремниевыми панелями почти достигла своего максимума, системы аккумуляции избыточного электричества недостаточно развиты (как технологически, так и с точки зрения инфраструктуры), а электрические сети не готовы к своим новым функциям - поставлять электроэнергию от рассеянных источников малой мощности.

Поэтому ведутся активные поиски возможностей перевести солнечную энергию на новый уровень - за границы уже ставших традиционными кремниевых панелей.  Многие ученые и предприниматели начинают присматриваться к растениям.

Сколько существуют растения, столько они обладают способностью превращать энергию солнечных лучей в химическую энергию, которая питает их жизнедеятельность. Не говоря уже о способности преобразовывать в этом процессе углекислый газ в кислород (что для человечества воссоздать было бы тоже очень кстати).

Что такого прорывного в искусственном фотосинтезе?

Искусственный фотосинтез позволит получать  больше энергии из солнечного света и даст возможность ее эффективно аккумулировать.

Этот процесс позволит превращать солнечный свет в химическую энергию, которую будет удобно хранить. При этом не будет никаких побочных продуктов вроде парниковых газов. Наоборот, в процессе углекислый газ может утилизироваться так же, как это происходит у растений.

Растения для этого используют хлорофилл. Он содержится в листьях и захватывает солнечный свет, а набор ферментов и других протеинов использует этот свет, чтобы расщепить молекулы воды в водород, электроны и кислород (протоны). Электроны и водород используются, чтобы превратить СО2 в питательные вещества для растения, а кислород выходит в атмосферу.

Что нужно, чтобы состоялся процесс искусственного фотосинтеза?

Чтобы воссоздать фотосинтез в искусственных условиях необходимо два ключевых этапа: способность собирать солнечную энергию, и способность расщеплять молекулы воды.

Но в отличие от природного фотосинтеза, необходимо, чтобы выходом был не кислород, а водород (или другой биогаз, например, метан).

Есть ла какая-то установка, где происходит искусственный фотосинтез?

Универсальной такой установки нет. Искусственный фотосинтез пока процесс исключительно экспериментальный и для того, чтобы его запустить ученые используют совершенно разные подходы. И все они пока только для лабораторий. Но есть общее понятие для среды, в которой происходит искусственный фотосинтез - «искусственный» лист.

Примеры установок для искусственного фотосинтеза

Искусственный лист - то самое место, куда помещают полупроводники и живые бактерии, на которые светит солнечный свет. Впервые искусственный лист (фотосинтетическую биогибридную систему) успешно испытали не так давно - в апреле 2015. 

Чтобы запустить процесс искусственного фотосинтеза в искусственном листе в ходе того самого первого эксперимента, ученые поместили все материалы в воду, куда закачивали углекислый газ, при этом освещая эту все систему солнечным светом.

Полупроводники в этом процессе собирают солнечную энергию, генерируя заряд, необходимый для того, чтобы реакция в этом растворе состоялась. Бактерия использует электроны, генерируемые полупроводником, чтобы преобразовать (или уменьшить) молекулы углекислого газа, и в результате создать жидкое топливо - это может быть водород, метан, этанол и др. В это же время, вода окисляется на поверхности другого полупроводника и выделяется кислород. 

Солнечные панели уже давно собирают энергию, и водород тоже умеют получать. Почему это сложно для искусственного фотосинтеза?

Вся сложность заключа­ется в расщеплении молекулы воды - сделать так, чтобы электроны направлялись для поддержания химического процесса производства водорода. Расщепление воды требует около 2,5 вольт энергии. Это означает, что для процесса нужен катализатор, который и заставит все «элементы уравнения» двигаться.

Но создать эффективный катализатор сложно, и хотя в лаборатории некоторые из них весьма трудоспособны (в последнее время ученые пришли к использованию двух катализаторов), для «полевых» условий они оказываются неподходящими.

Во-первых, ряд соединений, используемых в лабораториях, содержит дорогие благородные или тяжелые токсичные металлы. Во-вторых, некоторые процессы проходят только при очень высоких температурах, или при ультрафиолетовом свете, и многие из используемых соединений быстро теряют свои каталитические свойства. И то и другое неприемлемо для коммерческого использования и масштабного производства энергии.

Что делают, чтобы решить эту проблему?

Проводят много экспериментов.

Во-первых, есть ученые, которые разрабатывают полностью искусственный фотосинтез (абиотичный). Они имитируют естественный процесс, без привлечения живых организмов. По большому счету, эти разработки сводятся к тому, чтобы создать принципиально новый катализатор, так как существующие (основанные на таких металлах как магний, титан, кобальт рутений и т.д.) далеки от эффективности.

Во-вторых, есть разработки, которые используют живые организмы (пока только бактерии и отдельно взятые клетки), заставляя их генерировать энергию в виде водорода, или другого биотоплива. Сегодня именно это направление считается одной из самых перспективных технологий развития искусственного фотосинтеза.  Использование живых клеток расширяет область (за пределы поиска более подходящего катализатора) разработок, и позволяет использовать природные, уже существующие механизмы. Но оно подразумевает вмешательство в генетическую структуру клетки.

Как генетические модификации могут помочь генерировать энергию?

Если в общих чертах, то берется живая клетка, желательно со способностью к фотосинтезу, которой внедряют «функции» по производству энергии.

Например, в Лаборатории Algenol во Флориде проводят такой эксперимент на цианобактериях (тоже способны к фотосинтезу, но значительно проще поддаются генетическому вмешательству, чем клетки хлоропласта в листьях). Ученым удалось создать автономно функционирующую водную экосистему, в которой живут цианобактерии, генетически модифицированные специально для производства этанола. Этот метод требует лишь 1/10 от территорий, которые необходимы для получения этанола из других биоэнергетических источников (например, переработки кукурузы, или других сельскохозяйственных культур).

Также можно синтезировать целый организм с нуля - в Институте генетических исследований в Мериленде (J. Craig Venter Institute) над этим и работают. Здесь хотят создать отдельную новую бактерию которая объединит в себе способность поглощения света, присущую цианобактериям, со способностью водорасщепления, присущую другим фотосинтетическим бактериям.

В идеале цель этих исследований - создание искусственной энергогенерирующей клетки с нуля, с использованием самого простейшего генома. Это позволило бы ученым выбирать из клетки самые полезные характеристики, избегая генов, отвечающих за другие функции, потребляющие лишнюю энергию.

Каким образом эти ГМО-панели могут очистить воздух?

Живые растения в процессе фотосинтеза поглощают углекислый газ, углерод превращают в глюкозу и «употребляют» на свои жизнеобеспечительные нужды, а кислород выпускают в атмосферу. В ходе искусственного фотосинтеза можно воссоздать что-то подобное.

Несколько недель назад ученые из Флориды рассказали о своем успешном опыте использования фотосинтеза для улавливания углекислого газа с последующим его превращением в биотопливо. Они синтезировали материал под названием металл-органический каркас, который изготовлен из титана и органических молекул, которые работают как светоулавливающие антенны для захвата энергии видимого света. Молекулы материала имеют форму похожую на соты, с пустотами, которые могут быть заполнены углекислым газом в процессе диффузии. Но для запуска реакции разрушения углекислого газа ученые используют синий спектр света, в результате химической реакции из СО2 получаются продукты похожие на те естественные сахара, которые производят растения.

Ученые говорят, что их технологию в перспективе можно будет использовать на электростанциях для улавливания углекислого газа при сжигании газа.

Ученые из Гарвада представили похожую технологию. Эффективность преобразования чистого углекислого газа этой системой составляет 10%, если бактерии улавливают его из воздуха - 3-4%.

Как использовать этот «чудотворный» процесс? Можно ли его внедрить внутрь солнечных панелей?

В любом случае, взять генномодифицированное растение в горшочке и подключить к нему заряжаться телефон не получится. По крайней мере, пока что.

Искусственный фотосинтез в любом случае, даже самом эффективном, производит водород, который уже потом можно превращать в электроэнергию, если нужно. Это и хорошо, так как водород намного удобнее хранить, чем электричество.

Но последние исследования из Кембриджского университета, показывают, что в перспективе искусственный фотосинтез может происходить в солнечных панелях. В прошлом месяце ученые опубликовали революционную работу по превращению растительного волокна в водород с использованием активированных светом наночастиц. Их назвали «квантовыми точками». Размеры точек варьируются в зависимости от выбранного спектра света - от размера молекулы до размера объемного полупроводникового материала, из которого сделаны солнечные панели. Ученые уверяют, что их лабораторная установка работает достаточно стабильно и при комнатной температуре, нуждается только в видимом свете, и, что немаловажно, не использует благородных металлов, а в процессе перерабатывает растительные отходы в чистое биотопливо. Более того, квантовые точки могут автоматически объединяться в более крупные сборки, что является важным шагом на пути создания искусственных листьев, так как позволит легко внедрить технологии фотосинтеза в современные солнечные панели.

Несмотря на все сложности, усилия ученых по развитию технологии в некотором смысле уже начинают приносить плоды. Так, если природный фотосинтез преобразует в химическую энергию лишь около 1% всей энергии солнечного света, то эксперименты с искусственным фотосинтезом уже демонстрировали эффективность и в 20%.

И хотя прогнозировать эффект искусственного фотосинтеза на мировой энергорынок пока еще очень рано, в научных кругах уже ясно видят, что технология «искусственного листа»  весьма перспективна. И в будущем может сделать весомый вклад, как в покрытие энергопотребностей человечества, так и в снижение его влияния на изменение климата. 

Читайте самые интересные истории ЭлектроВестей в Telegram - перейдите по ссылке и нажмите кнопку Join

По материалам: ЭлектроВести
ELEKTROVESTI.NET экономят ваше время
Подпишитесь на важные новости энергетики!