Τεχνητή φωτοσύνθεση για παραγωγή υδρογόνου. Τεχνητή φωτοσύνθεση

Ταυτόχρονα όμως υπάρχουν αρκετά σοβαρά εμπόδια στην περαιτέρω ανάπτυξη του κλάδου. Η αποτελεσματικότητα της μετατροπής του ηλιακού φωτός με πάνελ πυριτίου έχει σχεδόν φτάσει στο μέγιστο, τα συστήματα αποθήκευσης περίσσειας ηλεκτρικής ενέργειας δεν είναι επαρκώς ανεπτυγμένα (τόσο τεχνολογικά όσο και από άποψη υποδομής) και τα ηλεκτρικά δίκτυα δεν είναι έτοιμα για τις νέες τους λειτουργίες - παροχή ηλεκτρικής ενέργειας από διασκορπισμένα χαμηλά πηγές ενέργειας.

Επομένως, υπάρχει μια ενεργή αναζήτηση ευκαιριών για τη μεταφορά της ηλιακής ενέργειας σε ένα νέο επίπεδο - πέρα ​​από τα όρια των ήδη παραδοσιακών πάνελ πυριτίου. Πολλοί επιστήμονες και επιχειρηματίες αρχίζουν να ρίχνουν μια πιο προσεκτική ματιά στα φυτά.

Όσο υπήρχαν τα φυτά, είχαν την ικανότητα να μετατρέπουν την ενέργεια του ηλιακού φωτός σε χημική ενέργεια, η οποία τροφοδοτεί τη ζωή τους. Για να μην αναφέρουμε την ικανότητα μετατροπής του διοξειδίου του άνθρακα σε οξυγόνο σε αυτή τη διαδικασία (που θα ήταν επίσης πολύ χρήσιμο για την ανθρωπότητα να αναδημιουργήσει).

Τι είναι τόσο επαναστατικό στην τεχνητή φωτοσύνθεση;

Η τεχνητή φωτοσύνθεση θα μας επιτρέψει να λάβουμε περισσότερη ενέργεια από το ηλιακό φως και θα μας επιτρέψει την αποτελεσματική συσσώρευσή της.

Αυτή η διαδικασία θα μετατρέψει το ηλιακό φως σε χημική ενέργεια που μπορεί εύκολα να αποθηκευτεί. Δεν θα υπάρχουν υποπροϊόντα όπως τα αέρια του θερμοκηπίου. Αντίθετα, η διαδικασία μπορεί να χρησιμοποιήσει το διοξείδιο του άνθρακα με τον ίδιο τρόπο που κάνουν τα φυτά.

Φυτά για αυτόχρησιμοποιήστε χλωροφύλλη . Βρίσκεται στα φύλλα και συλλαμβάνει το φως του ήλιου και ένα σύνολο ενζύμων και άλλων πρωτεϊνών χρησιμοποιούν αυτό το φως για να διασπάσουν τα μόρια του νερού σε υδρογόνο, ηλεκτρόνια και οξυγόνο (πρωτόνια). Τα ηλεκτρόνια και το υδρογόνο χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή του CO2 σε θρεπτικά συστατικά για το φυτό και το οξυγόνο απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα.

Τι χρειάζεται για να πραγματοποιηθεί η διαδικασία; τεχνητόςφωτοσύνθεση?

Για να αναδημιουργηθεί η φωτοσύνθεση υπό τεχνητές συνθήκες, απαιτούνται δύο βασικά βήματα: η ικανότητα συλλογή ηλιακής ενέργειας, και ικανότητα διασπούν τα μόρια του νερού.

Αλλά σε αντίθεση με τη φυσική φωτοσύνθεση, είναι απαραίτητο η έξοδος να μην είναι οξυγόνο, αλλά υδρογόνο (ή άλλο βιοαέριο, για παράδειγμα, μεθάνιο).

Υπάρχει κάποιο είδος εγκατάστασης όπου γίνεται τεχνητή φωτοσύνθεση;

Δεν υπάρχει τέτοια καθολική εγκατάσταση. Η τεχνητή φωτοσύνθεση εξακολουθεί να είναι μια αποκλειστικά πειραματική διαδικασία και για να την δρομολογήσουν, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν εντελώς διαφορετικές προσεγγίσεις. Και όλα αυτά είναι μέχρι στιγμής μόνο για εργαστήρια. Αλλά υπάρχει μια γενική ιδέα για το περιβάλλον στο οποίο λαμβάνει χώρα η τεχνητή φωτοσύνθεση - "τεχνητό" φύλλο.

Παραδείγματα εγκαταστάσεων τεχνητής φωτοσύνθεσης

Το τεχνητό φύλλο είναι όπου τοποθετούνται ημιαγωγοί και ζωντανά βακτήρια και εκτίθενται στο ηλιακό φως. Για πρώτη φορά, ένα τεχνητό φύλλο (φωτοσυνθετικό βιοϋβριδικό σύστημα) δοκιμάστηκε με επιτυχία όχι πολύ καιρό πριν - τον Απρίλιο του 2015.

Για να ξεκινήσουν τη διαδικασία της τεχνητής φωτοσύνθεσης σε ένα τεχνητό φύλλο κατά τη διάρκεια αυτού του πρώτου πειράματος, οι επιστήμονες τοποθέτησαν όλα τα υλικά σε νερό, στο οποίο αντλούσαν διοξείδιο του άνθρακα, ενώ φωτίζουν ολόκληρο το σύστημα με ηλιακό φως.

Οι ημιαγωγοί σε αυτή τη διαδικασία συλλέγουν ηλιακή ενέργεια, δημιουργώντας το φορτίο που είναι απαραίτητο για να πραγματοποιηθεί η αντίδραση σε αυτό το διάλυμα. Το βακτήριο χρησιμοποιεί τα ηλεκτρόνια που παράγονται από τον ημιαγωγό για να μετατρέψει (ή να μειώσει) μόρια διοξειδίου του άνθρακα και ως αποτέλεσμα να δημιουργήσει υγρό καύσιμο - αυτό μπορεί να είναι υδρογόνο, μεθάνιο, αιθανόλη κ.λπ. Ταυτόχρονα, το νερό οξειδώνεται στην επιφάνεια του άλλος ημιαγωγός και απελευθερώνεται οξυγόνο.

Τα ηλιακά πάνελ συλλέγουν ενέργεια εδώ και πολύ καιρό και μπορούν επίσης να παράγουν υδρογόνο. Γιατί είναι δύσκολη η τεχνητή φωτοσύνθεση;

Η όλη δυσκολία βρίσκεται στη διάσπαση ενός μορίουνερό - για να βεβαιωθείτε ότι αποστέλλονται ηλεκτρόνια για να υποστηρίξουν τη χημική διαδικασία παραγωγής υδρογόνου. Η διάσπαση του νερού απαιτεί περίπου 2,5 βολτ ενέργειας. Αυτό σημαίνει ότι η διαδικασία απαιτεί έναν καταλύτη, ο οποίος θα κάνει όλα τα «στοιχεία της εξίσωσης» να κινηθούν.

Αλλά η δημιουργία ενός αποτελεσματικού καταλύτη είναι δύσκολη, και παρόλο που μερικοί από αυτούς είναι αρκετά εφαρμόσιμοι στο εργαστήριο (πρόσφατα οι επιστήμονες άρχισαν να χρησιμοποιούν δύο καταλύτες), αποδεικνύονται ακατάλληλοι για συνθήκες «πεδίου».

Πρώτον, ορισμένες ενώσεις που χρησιμοποιούνται στα εργαστήρια περιέχουν ακριβά ευγενή ή βαρέα τοξικά μέταλλα. Δεύτερον, ορισμένες διεργασίες λαμβάνουν χώρα μόνο σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες ή κάτω από υπεριώδες φως, και πολλές από τις ενώσεις που χρησιμοποιούνται χάνουν γρήγορα τις καταλυτικές τους ιδιότητες. Και τα δύο είναι απαράδεκτα για εμπορική χρήση και παραγωγή ενέργειας μεγάλης κλίμακας.

Τι κάνουν για να λύσουν αυτό το πρόβλημα;

Κάνουν πολλά πειράματα.

Πρώτον, υπάρχουν επιστήμονες που αναπτύσσουν εντελώς τεχνητή φωτοσύνθεση (αβιοτική). Μιμούνται τη φυσική διαδικασία, χωρίς τη συμμετοχή ζωντανών οργανισμών. Σε γενικές γραμμές, αυτές οι εξελίξεις καταλήγουν στη δημιουργία ενός ριζικά νέου καταλύτη, καθώς οι ήδη υπάρχοντες (με βάση μέταλλα όπως το μαγνήσιο, το τιτάνιο, το κοβάλτιο, το ρουθήνιο κ.λπ.) δεν είναι καθόλου αποτελεσματικοί.

Δεύτερον, υπάρχουν εξελίξεις που χρησιμοποιούν ζωντανούς οργανισμούς (μέχρι στιγμής μόνο βακτήρια και μεμονωμένα κύτταρα), αναγκάζοντάς τους να παράγουν ενέργεια με τη μορφή υδρογόνου ή άλλων βιοκαυσίμων. Σήμερα, η συγκεκριμένη κατεύθυνση θεωρείται μια από τις πιο υποσχόμενες τεχνολογίες για την ανάπτυξη της τεχνητής φωτοσύνθεσης. Χρησιμοποιώντας ζωντανά κύτταραδιευρύνει το εύρος (πέρα από την αναζήτηση καταλληλότερου καταλύτη) της ανάπτυξης και επιτρέπει τη χρήση φυσικών, ήδη υπαρχόντων μηχανισμών. Αλλά περιλαμβάνει παρεμβολή στη γενετική δομή του κυττάρου.

Πώς μπορούν οι γενετικές τροποποιήσεις να βοηθήσουν στην παραγωγή ενέργειας;

Σε γενικές γραμμές, λαμβάνεται ένα ζωντανό κύτταρο, κατά προτίμηση με δυνατότητα φωτοσύνθεσης, και εισάγονται σε αυτό «λειτουργίες» για την παραγωγή ενέργειας.

Για παράδειγμα, το Εργαστήριο Algenol στη Φλόριντα διεξάγει ένα τέτοιο πείραμα σε κυανοβακτήρια (επίσης ικανά για φωτοσύνθεση, αλλά πολύ πιο εύκολο να παρέμβουν γενετικά σε αυτά από τα κύτταρα χλωροπλάστη στα φύλλα). Οι επιστήμονες κατάφεραν να δημιουργήσουν ένα αυτόνομα λειτουργικό υδάτινο οικοσύστημα στο οποίο ζουν κυανοβακτήρια, γενετικά τροποποιημένα ειδικά για την παραγωγή αιθανόλης. Αυτή η μέθοδος απαιτεί μόνο το 1/10 της έκτασης που απαιτείται για την παραγωγή αιθανόλης από άλλες πηγές βιοενέργειας (π.χ. επεξεργασία καλαμποκιού ή άλλες καλλιέργειες).

Είναι επίσης δυνατό να συντεθεί ένας ολόκληρος οργανισμός από την αρχή - σε αυτό εργάζεται το Ινστιτούτο J. Craig Venter. Εδώ θέλουν να δημιουργήσουν ένα ξεχωριστό νέο βακτήριο που θα συνδυάζει την ικανότητα απορρόφησης φωτός που είναι εγγενής στα κυανοβακτήρια με την ικανότητα διάσπασης του νερού που είναι εγγενής σε άλλα φωτοσυνθετικά βακτήρια.

Στην ιδανική περίπτωση, ο στόχος αυτών των μελετών είναι να δημιουργηθεί ένα τεχνητό κύτταρο που παράγει ενέργεια από την αρχή, χρησιμοποιώντας το απλούστερο γονιδίωμα. Αυτό θα επέτρεπε στους επιστήμονες να επιλέξουν τα πιο χρήσιμα χαρακτηριστικά από ένα κύτταρο, αποφεύγοντας τα γονίδια που είναι υπεύθυνα για άλλες λειτουργίες που καταναλώνουν υπερβολική ενέργεια.

Πώς μπορούν αυτά τα πάνελ ΓΤΟ να καθαρίσουν τον αέρα;

Κατά τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης, τα ζωντανά φυτά απορροφούν διοξείδιο του άνθρακα, μετατρέπουν τον άνθρακα σε γλυκόζη και τον «καταναλώνουν» για τις ανάγκες υποστήριξης της ζωής τους και απελευθερώνουν οξυγόνο στην ατμόσφαιρα. Μέσω της τεχνητής φωτοσύνθεσης, κάτι παρόμοιο μπορεί να αναδημιουργηθεί.

Πριν από μερικές εβδομάδες, επιστήμονες στη Φλόριντα ανέφεραν την επιτυχία τους στη χρήση της φωτοσύνθεσης για τη σύλληψη του διοξειδίου του άνθρακα και στη συνέχεια τη μετατροπή του σε βιοκαύσιμο. Συνέθεσαν ένα υλικό που ονομάζεται μεταλλικό-οργανικό πλαίσιο, το οποίο είναι κατασκευασμένο από τιτάνιο και οργανικά μόρια που λειτουργούν ως κεραίες που πιάνουν φως για να συλλάβουν την ενέργεια του ορατού φωτός. Τα μόρια του υλικού έχουν σχήμα κηρήθρας, με κενά που μπορούν να γεμίσουν με διοξείδιο του άνθρακα μέσω της διαδικασίας διάχυσης. Αλλά για να πυροδοτήσουν την αντίδραση καταστροφής του διοξειδίου του άνθρακα, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν το μπλε φάσμα του φωτός, ως αποτέλεσμα μιας χημικής αντίδρασης από το CO2, λαμβάνονται προϊόντα παρόμοια με τα φυσικά σάκχαρα που παράγουν τα φυτά.

Οι επιστήμονες λένε ότι η τεχνολογία τους θα μπορούσε τελικά να χρησιμοποιηθεί σε σταθμούς παραγωγής ενέργειας για τη δέσμευση διοξειδίου του άνθρακα κατά την καύση αερίου.

Επιστήμονες από το Χάρβαρντ παρουσίασαν παρόμοια τεχνολογία. Η αποτελεσματικότητα της μετατροπής καθαρού διοξειδίου του άνθρακα από αυτό το σύστημα είναι 10%, εάν τα βακτήρια το συλλάβουν από τον αέρα - 3-4%.

Πώς να χρησιμοποιήσετε αυτή τη «θαυματουργή» διαδικασία; Μπορεί να ενσωματωθεί σε ηλιακούς συλλέκτες;

Σε κάθε περίπτωση, η λήψη ενός γενετικά τροποποιημένου φυτού σε μια γλάστρα και η σύνδεσή του για τη φόρτιση του τηλεφώνου σας δεν θα λειτουργήσει. Τουλάχιστον για τώρα.

Η τεχνητή φωτοσύνθεση σε κάθε περίπτωση, ακόμη και στην πιο αποτελεσματική, παράγει υδρογόνο, το οποίο μπορεί στη συνέχεια να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια, αν χρειαστεί. Αυτό είναι καλό, καθώς το υδρογόνο είναι πολύ πιο βολικό στην αποθήκευση από την ηλεκτρική ενέργεια.

Η ανεξέλεγκτη κατανάλωση ορυκτών πόρων έχει φέρει τον κόσμο στο κατώφλι μιας περιβαλλοντικής και ενεργειακής κρίσης. Σε μια τέτοια κατάσταση, χρειάζεται μια ριζικά διαφορετική πηγή ενέργειας, η οποία, αφενός, θα ταιριάζει στον πετρελαϊκό μας κόσμο και, αφετέρου, θα είναι ανανεώσιμη, φιλική προς το περιβάλλον και οικονομικά κερδοφόρα. Μια πιθανή λύση είναι η τεχνητή φωτοσύνθεση (AP), χάρη στην οποία έχουν ήδη εμφανιστεί ανθρωπογενείς εγκαταστάσεις για τη σύνθεση οργανικής ύλης από ηλεκτρισμό και φως, καθώς και εκπληκτικά θωρακισμένα φωτοσυνθετικά βακτήρια ημιαγωγών.

Παγκόσμια ενεργειακή κρίση ή γιατί χρειάζεται τεχνητή φωτοσύνθεση

Σήμερα, ο ήδη μεγάλος πληθυσμός του πλανήτη αυξάνεται κατά 1% ετησίως. Η ανθρωπότητα καλύπτει τις ενεργειακές της ανάγκες, οι οποίες αυξάνονται κάθε χρόνο, κυρίως μέσω των ορυκτών πόρων. Αλλά δεν είναι πλέον μυστικό ότι τα αποθέματα πετρελαίου και άνθρακα είναι περιορισμένα και στις περισσότερες περιπτώσεις μη ανανεώσιμα. Όταν οι όγκοι τους δεν ανταποκρίνονται πλέον στον παγκόσμιο ρυθμό ανάπτυξης (ή ακόμη και εξαντληθούν), ο κόσμος θα αντιμετωπίσει μια ενεργειακή κρίση πρωτόγνωρων διαστάσεων.

Ήδη μπορούμε να δούμε τον σκληρό αγώνα που έχει ξεσπάσει στην παγκόσμια σκηνή για μεγάλες πηγές ορυκτών καυσίμων. Στο μέλλον, θα υπάρχουν όλο και λιγότερα καύσιμα, και συγκρούσεις συμφερόντων θα συμβαίνουν όλο και πιο συχνά.

Τους δύο τελευταίους αιώνες, η ανθρωπότητα έχει τυφλωθεί από τη διαθεσιμότητα των ορυκτών ενεργειακών πόρων και έχει αναπτύξει πολλές τεχνολογίες που βασίζονται σε αυτές, χωρίς τις οποίες η ζωή σήμερα είναι απλά αδιανόητη. Πρώτα υπήρχαν ατμομηχανές άνθρακα και ατμού, μετά οι άνθρωποι έμαθαν να παίρνουν ηλεκτρισμό καίγοντας τον ίδιο άνθρακα, να παράγουν σόμπες αερίου, ιδιωτικά και δημόσια μέσα μεταφοράς - όλα αυτά απαιτούν την κατανάλωση οργανικών ουσιών που αποθηκεύτηκαν πριν από εκατομμύρια χρόνια. Χρησιμοποιώντας την ενέργεια αυτών των ουσιών, η ανθρωπότητα έχει κάνει ένα άλμα σε πολλούς τομείς της κοινωνικής ζωής: ο παγκόσμιος πληθυσμός έχει ξεπεράσει τα 7 δισεκατομμύρια, ακμάζουσες πόλεις και κράτη έχουν αναδυθεί στις ερήμους, η παραγωγική ικανότητα και τα επίπεδα κατανάλωσης αυξάνονται χρόνο με το χρόνο. Χωρίς αμφιβολία, ο σύγχρονος κόσμος είναι αδιανόητος χωρίς άνθρακα, προϊόντα πετρελαίου και φυσικό αέριο.

Εδώ τίθεται το δίλημμα της σύγχρονης ενέργειας: αφενός, η ανάγκη μετάβασης στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι απολύτως προφανής, αφετέρου, ο κόσμος δεν είναι εξοπλισμένος για να καταναλώσει τέτοια ενέργεια. Ωστόσο, την τελευταία δεκαετία, υπάρχει αυξανόμενη ανάπτυξη μιας πηγής ενέργειας που θα μπορούσε να λύσει αυτό το δίλημμα. Μιλάμε για τεχνητή φωτοσύνθεση (IF)- ένας τρόπος μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε μια βολική μορφή οργανικού καυσίμου.

Δεν πρέπει να ξεχνάμε ότι η καύση καυσίμου οδηγεί σε μαζικές εκπομπές CO 2 στην ατμόσφαιρα, επηρεάζοντας αρνητικά την κατάσταση ολόκληρης της βιόσφαιρας. Στις μεγάλες πόλεις, αυτή η επιρροή είναι ιδιαίτερα αισθητή: χιλιάδες αυτοκίνητα και επιχειρήσεις που καπνίζουν δημιουργούν αιθαλομίχλη και κάθε κάτοικος της πόλης, βγαίνοντας από την πόλη, πρώτα απ 'όλα θαυμάζει τον καθαρό αέρα. Η δημιουργία μιας πηγής ενέργειας που, όπως τα φυτά, θα απορροφά CO 2 και θα παράγει O 2, θα μπορούσε να σταματήσει την περιβαλλοντική υποβάθμιση να συνεχίζεται με πλήρη ταχύτητα.

Έτσι, το IF είναι μια πιθανή λύση τόσο στην παγκόσμια ενεργειακή όσο και στην περιβαλλοντική κρίση. Πώς λειτουργεί όμως το IF και σε τι διαφέρει από το φυσικό;

ατέλεια πρασίνου

Εικόνα 2. Μη κυκλική φωτοσύνθεση στα φυτά.Ένα ηλεκτρόνιο φεύγει από τη διεγερμένη από το φως χλωροφύλλη του φωτοσυστήματος II (PS-II) και η προκύπτουσα «τρύπα» γεμίζεται από ηλεκτρόνια που απελευθερώνονται κατά τη διάσπαση του νερού. Ο τελικός δέκτης ηλεκτρονίων δεν είναι η χρωστική ουσία του φωτοσυστήματος, όπως στα μωβ βακτήρια, αλλά το NADP +. Μια άλλη διαφορά είναι ότι στα φυτά, δύο φωτοσυστήματα (PS-I και PS-II) σχηματίζουν έναν συζευγμένο μηχανισμό και ένας κύκλος λειτουργίας του απαιτεί την απορρόφηση δύο φωτονίων. Το σύμπλεγμα b 6 f δεν φαίνεται στο σχήμα.

Η προκύπτουσα βαθμίδα H+ παρέχει ενέργεια για τη σύνθεση ATP από το ένζυμο συνθάση ATP, παρόμοια με το πώς το νερό που πέφτει παρέχει ενέργεια σε έναν νερόμυλο (Εικόνα 3). Το ATP είναι ένας παγκόσμιος φορέας χημικής ενέργειας στο κύτταρο και εμπλέκεται στη συντριπτική πλειονότητα των ενεργοβόρων αντιδράσεων, συμπεριλαμβανομένων των αντιδράσεων του κύκλου Calvin, που εξασφαλίζουν τη μετατροπή του CO 2 σε μειωμένα οργανικά. Σε αυτόν τον κύκλο, το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας δαπανάται για την καταπολέμηση πλευρικών αντιδράσεων. Υπάρχουν άλλοι τρόποι αφομοίωσης του άνθρακα - για παράδειγμα, το μονοπάτι Wood-Ljungdahl, για το οποίο θα γραφτεί αργότερα.

Εικόνα 3. Αποθήκευση φωτεινής ενέργειας.Κατά τη διάρκεια της φωτοσύνθεσης, οι πρωτεΐνες του φωτοσυστήματος μεταφέρουν πρωτόνια σε όλη τη μεμβράνη χρησιμοποιώντας ενέργεια φωτονίων. Το ένζυμο συνθάση ATP επαναφέρει την προκύπτουσα βαθμίδα συγκέντρωσης H + και παράγει τον παγκόσμιο φορέα ενέργειας στο κύτταρο - ATP. Η αναλογία με έναν περιστρεφόμενο νερόμυλο είναι στην πραγματικότητα πολύ κοντά στην πραγματικότητα.

Αν και η φωτοσύνθεση παρέχει τελικά ενέργεια σε ολόκληρη τη βιόσφαιρα, η αποτελεσματικότητα αυτής της διαδικασίας αφήνει πολλά να είναι επιθυμητή (Πίνακας 1). Κάτοχος ρεκόρ για τη φωτοσύνθεση είναι το σόργο, που καλλιεργείται για την παραγωγή βιοκαυσίμων, του οποίου η απόδοση μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε χημική ενέργεια είναι 6,6%. Για σύγκριση: οι πατάτες, το σιτάρι και το ρύζι έχουν περίπου 4%.

Πίνακας 1. Ενεργειακές παράμετροι φωτοσύνθεσης.Η φωτοσύνθεση είναι μια διαδικασία πολλαπλών σταδίων και σε κάθε στάδιο χάνεται μέρος της ενέργειας από το ηλιακό φως. Η χαμηλή απόδοση της φωτοσύνθεσης είναι το κύριο μειονέκτημά της σε σύγκριση με τις σύγχρονες ηλιακές μπαταρίες. Η ενέργεια του ηλιακού φωτός που προσπίπτει στο φύλλο λαμβάνεται ως 100%. Ο πίνακας καταρτίζεται με βάση δεδομένα από.

Αιτία απώλειας ενέργειας	Απώλεια ενέργειας	Υπόλοιπο
Απορρόφηση φωτονίων μόνο στο ορατό τμήμα του φάσματος	47%	53%
Μόνο ένα μέρος της φωτεινής ροής διέρχεται από τα φωτοσυνθετικά μέρη του φύλλου	70%	37%
Αν και υπάρχουν φωτόνια υψηλής και χαμηλής ενέργειας στο ορατό φως, όλα απορροφώνται από τα φωτοσυστήματα ως χαμηλής ενέργειας (ένα είδος αρχής τροχόσπιτου)	24%	28%
Απώλειες κατά τη σύνθεση γλυκόζης	68%	9%
Καθαρισμός φύλλων από παραπροϊόντα φωτοσύνθεσης ( εκ.φωτοαναπνοή)	32%	6%

Ταυτόχρονα, η τυπική απόδοση για τα σύγχρονα ηλιακά κύτταρα είναι 15-20%, και τα πρωτότυπα έχουν φτάσει σε τιμή 46%. Αυτή η διαφορά στην απόδοση των τεχνητών φωτοκυττάρων και των ζωντανών φυτών εξηγείται κυρίως από την απουσία σταδίων σύνθεσης. Υπάρχει όμως μια πιο λεπτή διαφορά: τα φυτικά φωτοσυστήματα εξάγουν ενέργεια μόνο από φωτόνια ορατού φωτός με μήκη κύματος 400–700 nm και η έξοδος από φωτόνια υψηλής ενέργειας είναι ακριβώς η ίδια με αυτή από φωτόνια χαμηλής ενέργειας. Οι ημιαγωγοί που χρησιμοποιούνται στα ηλιακά κύτταρα συλλαμβάνουν φωτόνια από ένα ευρύτερο φάσμα. Και για να μεγιστοποιηθεί η απόδοση, μια μπαταρία συνδυάζει υλικά σχεδιασμένα ειδικά για διαφορετικά μέρη του φάσματος του ηλιακού φωτός.

Ο απώτερος στόχος των μηχανικών IF είναι να δημιουργήσουν ένα φυτό (ή έναν τεχνητό οργανισμό) που θα πραγματοποιεί τη φωτοσύνθεση καλύτερα από τα φυτά. Σήμερα, η βιομηχανική έχει φτάσει σε ένα επίπεδο όπου είναι δυνατό να προσπαθήσουμε να το κάνουμε αυτό. Και από χρόνο σε χρόνο, οι προσπάθειες των επιστημόνων πλησιάζουν όλο και πιο κοντά στον αγαπημένο τους στόχο, κάνοντάς μας να θαυμάζουμε απίστευτες ανακαλύψεις.

Ένα τόσο διαφορετικό ΑΝ

Το απλούστερο σχήμα IF είναι εντελώς αβιοτική σύνθεση οργανικής ύλης σε καταλύτη. Το 2014, ανακαλύφθηκε ένας καταλύτης ρουθηνίου, ο οποίος, όταν φωτιστεί, συνθέτει μεθάνιο από H 2 και CO 2. Κάτω από βέλτιστες συνθήκες, που περιλαμβάνουν θέρμανση στους 150 ° C και έντονο φωτισμό, ένα γραμμάριο αυτού του καταλύτη δημιουργεί ένα χιλιοστό γραμμάριο μεθανίου ανά ώρα, το οποίο, φυσικά, είναι πολύ λίγο. Οι ίδιοι οι επιστήμονες που μελετούν τον καταλύτη παραδέχονται ότι ένας τέτοιος ρυθμός αντίδρασης, με αρκετά υψηλό κόστος του καταλύτη, είναι πολύ χαμηλός για την πρακτική χρήση του.

Η πραγματική φωτοσύνθεση είναι μια διαδικασία πολλαπλών σταδίων, σε κάθε στάδιο της οποίας συμβαίνει απώλεια ενέργειας. Αυτό είναι εν μέρει καλό, γιατί ανοίγει πολλά περιθώρια βελτιστοποίησης. Στην περίπτωση της αβιογενούς φωτοσύνθεσης, το μόνο που μπορεί να γίνει είναι να βρεθεί ένας θεμελιωδώς νέος καταλύτης.

Μια εντελώς διαφορετική προσέγγιση στο IF - δημιουργία βιοαντιδραστήρων που τροφοδοτούνται από ηλιακή ενέργεια. Σε τέτοιους βιοαντιδραστήρες, παραδόξως, χρησιμοποιούν Δενφωτοσυνθετικοί μικροοργανισμοί που μπορούν ακόμα να σταθεροποιήσουν το CO 2 χρησιμοποιώντας άλλες πηγές ενέργειας.

Ας εξοικειωθούμε με διάφορους τύπους σχεδίων συσκευών για IF χρησιμοποιώντας συγκεκριμένα παραδείγματα.

Το 2014 δημοσιεύθηκαν αποτελέσματα δοκιμών για εγκατάσταση που μετατρέπει το ρεύμα σε βιομάζα με απόδοση ρεκόρ 13%. Για να αποκτήσετε έναν αντιδραστήρα IF, πρέπει απλώς να συνδέσετε ένα ηλιακό πάνελ. Αυτή η εγκατάσταση είναι ουσιαστικά ένα ηλεκτροχημικό στοιχείο (Εικ. 4 ΕΝΑ), όπου δύο ηλεκτρόδια τοποθετούνται σε ένα θρεπτικό μέσο με βακτήρια Ralstonia eutropha(αυτοί είναι - Cupriavidus necator). Όταν εφαρμόζεται εξωτερικό ρεύμα, ο καταλύτης στην άνοδο διασπά το νερό σε οξυγόνο και πρωτόνια και ο καταλύτης στην κάθοδο μειώνει τα πρωτόνια σε αέριο υδρογόνο. R. eutrophaλαμβάνει ενέργεια για την αφομοίωση του CO 2 στον κύκλο του Calvin λόγω της οξείδωσης του Η 2 από το ένζυμο υδρογονάση.

Εικόνα 4. Βιοαντιδραστήρες για IF που βασίζονται σε ηλεκτροχημικά κύτταρα.Ρεύμα μπορεί να δημιουργηθεί με φωτόλυση νερού στην άνοδο με χρήση ηλιακού κυττάρου (ΕΝΑ) ή χωρίς αυτό (σι) . Και στις δύο περιπτώσεις, τα ηλεκτρόνια που λαμβάνονται από το νερό παρέχουν στα αυτότροφα μικρόβια τα αναγωγικά ισοδύναμα που είναι απαραίτητα για τη στερέωση του CO 2.

Σύμφωνα με τους υπολογισμούς των προγραμματιστών, ο συνδυασμός της εγκατάστασής τους με μια τυπική ηλιακή μπαταρία (απόδοση 18%) θα οδηγήσει σε συνολική απόδοση φωτοσύνθεσης 2,5% εάν όλη η φωτεινή ενέργεια μετατραπεί σε ανάπτυξη βιομάζας και 0,7% εάν γενετικά τροποποιημένα βακτήρια που συνθέτουν βουτανόλη είναι μεταχειρισμένα. Αυτό το αποτέλεσμα είναι συγκρίσιμο με την αποτελεσματικότητα της φωτοσύνθεσης σε πραγματικά φυτά, αν και δεν φτάνει στο επίπεδο των καλλιεργούμενων φυτών. Ικανότητα R. eutrophaΗ σύνθεση οργανικών ουσιών παρουσία Η2 είναι πολύ ενδιαφέρουσα όχι μόνο στο πλαίσιο του IF, αλλά και ως πιθανή εφαρμογή ενέργειας υδρογόνου.

Το 2015, επιστήμονες από την Καλιφόρνια δημιούργησαν μια εξίσου ενδιαφέρουσα εγκατάσταση, όπου τα στάδια της απορρόφησης και της σύνθεσης του φωτός συνδέονται στενότερα. Η φωτοάνοδος του σχεδιασμένου αντιδραστήρα, όταν φωτίζεται, διασπά το νερό σε οξυγόνο, πρωτόνια και ηλεκτρόνια, τα οποία αποστέλλονται κατά μήκος ενός αγωγού στην κάθοδο (Εικ. 4 σι). Για να αυξηθεί ο ρυθμός φωτόλυσης του νερού που εμφανίζεται στη διεπιφάνεια, η φωτοάνοδος είναι κατασκευασμένη από νανοσύρματα πυριτίου, τα οποία αυξάνουν πολύ την επιφάνειά της.

Η κάθοδος αυτής της εγκατάστασης αποτελείται από ένα «δάσος» νανοράβδων TiO 2 (Εικ. 5 ΕΝΑ), μεταξύ των οποίων αναπτύσσονται βακτήρια Sporomusa ovata. Τα ηλεκτρόνια από τη φωτοάνοδο πηγαίνουν ειδικά σε αυτά τα βακτήρια, τα οποία τα χρησιμοποιούν ως αναγωγικά ισοδύναμα για να μετατρέψουν το CO 2 διαλυμένο στο μέσο σε οξικό.

Εικόνα 5. Η τεχνητή φωτοσύνθεση είναι αδιανόητη χωρίς νανοϋλικά. ΕΝΑ - Στον αντιδραστήρα IF από το αντικείμενο CO 2, καταγράφονται βακτήρια που αναπτύσσονται σε ένα «νανοδάσος» ράβδων πυριτίου επικαλυμμένες με TiO 2 (στρώμα 30 nm). Αυτό το νανοδάσος δημιουργεί τις αναερόβιες συνθήκες που είναι απαραίτητες για τα βακτήρια και αυξάνει την επιφανειακή πυκνότητα επαφής μεταξύ των βακτηρίων και του αγωγού. σι - Με μια θεμελιωδώς διαφορετική προσέγγιση, δεν είναι τα βακτήρια που τοποθετούνται στον ημιαγωγό, αλλά ο ημιαγωγός που τοποθετείται στα βακτήρια. Χάρη στο κέλυφος CdS, τα βακτήρια που πεθαίνουν στο φως γίνονται φωτοσυνθετικά.

Το νανοδάσος TiO 2 εκτελεί πολλές λειτουργίες ταυτόχρονα: παρέχει υψηλή πυκνότητα βακτηρίων κατά την επαφή, προστατεύει την υποχρεωτική αναερόβια S. ovataαπό το οξυγόνο που έχει διαλυθεί στο περιβάλλον και μπορεί επίσης να μετατρέψει το φως σε ηλεκτρική ενέργεια, βοηθώντας τα βακτήρια να σταθεροποιήσουν το CO 2.

S. ovata- βακτήρια με πολύ ευέλικτο μεταβολισμό, που προσαρμόζονται εύκολα στην ανάπτυξη με τον λεγόμενο ηλεκτροτροφικό τρόπο. Καθορίζουν το CO 2 μέσω της οδού Wood-Ljungdahl, στην οποία μόνο το 10% του οξικού χρησιμοποιείται για την ανάπτυξη βιομάζας και το υπόλοιπο 90% απελευθερώνεται στο περιβάλλον.

Αλλά το ίδιο το οξικό δεν είναι ιδιαίτερα πολύτιμο. Για να το μετατρέψουν σε πιο σύνθετες και ακριβές ουσίες, εισάγονται στον αντιδραστήρα γενετικά τροποποιημένες ουσίες. Escherichia coliσυνθέτοντας βουτανόλη, ισοπρενοειδή ή πολυυδροξυβουτυρικό από οξικό άλας. Τελευταία ουσία Ε. coliπαράγει με την υψηλότερη απόδοση.

Όσο για την απόδοση ολόκληρης της εγκατάστασης, είναι πολύ χαμηλή. Μόνο το 0,4% της ηλιακής ενέργειας μπορεί να μετατραπεί σε οξικό άλας και η μετατροπή του οξικού σε πολυυδροξυβουτυρικό άλας γίνεται με απόδοση 50%. Συνολικά, μόνο το 0,2% της φωτεινής ενέργειας μπορεί να αποθηκευτεί με τη μορφή οργανικής ύλης, η οποία μπορεί περαιτέρω να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο ή πρώτη ύλη για χημική παραγωγή. Οι προγραμματιστές θεωρούν ότι το κύριο επίτευγμά τους είναι ότι η εγκατάσταση που δημιούργησαν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για εντελώς διαφορετικές χημικές συνθέσεις χωρίς θεμελιώδεις αλλαγές στο σχεδιασμό. Αυτό δείχνει μια αναλογία με τη φυσική φωτοσύνθεση, όπου όλα τα είδη οργανικών ουσιών συντίθενται τελικά από το CO 2 3-φωσφογλυκερικό που λαμβάνεται μέσω της αφομοίωσης.

Και στις δύο τεχνολογίες που περιγράφηκαν, οι προγραμματιστές προσπάθησαν να συνδυάσουν την αριστεία των ημιαγωγών ως απορροφητών φωτεινής ενέργειας με την καταλυτική ισχύ των βιολογικών συστημάτων. Και οι δύο εγκαταστάσεις που προέκυψαν ήταν «αντίστροφες» κυψέλες καυσίμου, όπου το ρεύμα χρησιμοποιείται για τη σύνθεση ουσιών.

Σε μια θεμελιωδώς διαφορετική προσέγγιση, μεμονωμένες κυψέλες συνδυάζονται με ημιαγωγούς σε ένα ενιαίο σύνολο. Έτσι, στις αρχές κιόλας του 2016 δημοσιεύτηκε μια εργασία στην οποία το βακτήριο ακετογόνο Moorella thermoaceticaκαλλιεργείται σε περιβάλλον με υψηλή περιεκτικότητα σε κυστεΐνη και κάδμιο. Ως αποτέλεσμα, συνήθως πεθαίνει στο φως Μ. thermoaceticaκαλύφθηκε με ένα κέλυφος CdS (ημιαγωγός) και έτσι όχι μόνο έλαβε προστασία από τον ήλιο, αλλά έγινε και φωτοσυνθετικό: τα ηλεκτρόνια από το CdS εισήλθαν στη διαδρομή Wood-Ljungdahl (Εικ. 5 σι).

Πειράματα σε ένα τέτοιο «θωρακισμένο» βακτήριο έδειξαν ότι το CO 2 στερεώνεται όχι μόνο στο φως, αλλά και στο σκοτάδι (υπόκειται στον ημερήσιο κύκλο). Ο λόγος για αυτό είναι η συσσώρευση φωτοσυνθετικών μεταβολιτών στο φως σε τέτοιες ποσότητες που τα κύτταρα δεν έχουν χρόνο να τους επεξεργαστούν. Το κύριο πλεονέκτημα τέτοιων βακτηρίων σε σύγκριση με τα κύτταρα που περιγράφηκαν παραπάνω είναι η αυτοοργάνωση. Για τα κύτταρα, είναι απαραίτητο να προετοιμαστούν εκ των προτέρων νανοϋλικά και καταλύτες, και αυτά τα ίδια τα μέρη φθείρονται μόνο με την πάροδο του χρόνου. Οταν Μ. thermoaceticaΟι φωτοσυνθετικές μονάδες διαιρούν, παράγουν και επιδιορθώνουν ό,τι χρειάζονται από μόνες τους εάν υπάρχει αρκετό κάδμιο και κυστεΐνη στο περιβάλλον. Αυτά τα βακτήρια δεν έχουν ακόμη μελετηθεί ως πηγή καυσίμου, αλλά όσον αφορά την κβαντική απόδοση της φωτοσύνθεσης δεν είναι κατώτερα από τα φυτά.

Δεν περιμένεις πολύ...

Οι τεχνολογίες IF βρίσκονται ακόμα στο στάδιο του πρωτοτύπου, αλλά οι προγραμματιστές τους βλέπουν μεγάλα περιθώρια βελτιστοποίησης. Μπορείτε να βελτιστοποιήσετε τους ημιαγωγούς που πιάνουν φως, τους μικροοργανισμούς, τη χωρική οργάνωση των βακτηρίων και άλλους καταλύτες. Πρώτα όμως πρέπει να λυθεί το πρόβλημα της σταθερότητας. Η απόδοση των κατασκευασμένων εγκαταστάσεων πέφτει αισθητά μετά από λίγες μόνο ημέρες λειτουργίας. Μια πλήρως ολοκληρωμένη συσκευή για το IF, όπως κάθε ζωντανό σύστημα, πρέπει να αναγεννηθεί και να αυτοαναπαραχθεί. Από αυτή την άποψη, είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρον Μ. thermoacetica, για τα οποία ισχύουν πλήρως αυτές οι ιδιότητες.

Και παρόλο που τα υπάρχοντα δείγματα απέχουν πολύ από το να είναι τέλεια, η εργασία στον τομέα του FI είναι πολύτιμη κυρίως επειδή δείχνει τη θεμελιώδη δυνατότητα ενσωμάτωσης της ηλιακής ενέργειας σε έναν κόσμο που συλλαμβάνεται από τον κινητήρα εσωτερικής καύσης. Οι ανεμογεννήτριες και οι ηλιακοί συλλέκτες, φυσικά, έχουν υψηλή απόδοση και ήδη καλύπτουν σχεδόν πλήρως την κατανάλωση ενέργειας στην Ουρουγουάη και τη Δανία, ενώ οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί είναι σημαντικοί κόμβοι στο ενεργειακό δίκτυο πολλών χωρών. Όμως η αντικατάσταση του καυσίμου με ηλεκτρική ενέργεια στις περισσότερες περιπτώσεις απαιτεί ριζική αναδιάρθρωση των ενεργειακών δικτύων και δεν είναι πάντα δυνατή.

Η περαιτέρω ανάπτυξη του επενδυτικού ταμείου απαιτεί τεράστιες επενδύσεις. Μπορεί κανείς να φανταστεί ότι οι εταιρείες κατασκευής ηλιακών κυψελών, στις οποίες οι μελλοντολόγοι προβλέπουν παγκόσμια κυριαρχία στον τομέα της ενέργειας έως το 2030, θα ενδιαφέρονται για την ανάπτυξη αυτής της ακόμη νέας και άπειρης επιστήμης στη διασταύρωση της βιοενέργειας, της επιστήμης των υλικών και της νανομηχανικής. Ποιος ξέρει, ίσως το IF να μην γίνει καθημερινό φαινόμενο στο μέλλον, ή ίσως η εργασία σε αυτό να δώσει ώθηση στην ενέργεια υδρογόνου ή στα βιοφωτοβολταϊκά. Δεν έχουμε πολύ να περιμένουμε, περιμένουμε και βλέπουμε.

Βιβλιογραφία

1. Πληθυσμιακές Πυραμίδες του Κόσμου από το 1950 έως το 2100. (2013). PopulationPyramid.net;
2. Korzinov N. (2007).

Υλικό από τη Wikipedia - την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια

Τεχνητή φωτοσύνθεση- προσπαθεί να αναπαράγει τη φυσική διαδικασία της φωτοσύνθεσης. Σε αυτή την περίπτωση, υπό την επίδραση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας στο ορατό φάσμα, το νερό και το διοξείδιο του άνθρακα μετατρέπονται σε μοριακό οξυγόνο και γλυκόζη. Μερικές φορές η τεχνητή φωτοσύνθεση αναφέρεται στον διαχωρισμό του νερού σε υδρογόνο και οξυγόνο υπό την επίδραση της ηλιακής ενέργειας.

Η έρευνα στοχεύει στην εφαρμογή ενός τύπου φωτοσύνθεσης που σχετίζεται με την αποσύνθεση του νερού σε υδρογόνο και οξυγόνο. Αυτή η διαδικασία είναι το πρώτο στάδιο της φωτοσύνθεσης στα φυτά (φάση που εξαρτάται από το φως). Η μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα δεν απαιτεί έκθεση στο φως. Το υδρογόνο που παράγεται στο πρώτο στάδιο της τεχνητής φωτοσύνθεσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε κινητήρες υδρογόνου για την παραγωγή «καθαρής» ενέργειας.

Η ανεξάρτητη από το φως αντίδραση («σκοτεινή φάση», Κύκλος Calvin) είναι το δεύτερο στάδιο της φωτοσύνθεσης, κατά το οποίο το διοξείδιο του άνθρακα μετατρέπεται σε γλυκόζη. Η γλυκόζη είναι μια πηγή ενέργειας που εξασφαλίζει την ανάπτυξη των φυτών. Υποτίθεται ότι αυτή η διαδικασία, που αναπαράγεται σε βιομηχανική κλίμακα, θα βοηθήσει στην καταπολέμηση της υπερθέρμανσης του πλανήτη. Το ανεξάρτητο από το φως στάδιο της φωτοσύνθεσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την απορρόφηση της περίσσειας διοξειδίου του άνθρακα από την ατμόσφαιρα. Ωστόσο, μια τέτοια διαδικασία θα απαιτήσει σημαντικές πηγές ενέργειας, όπως συμβαίνει κατά τη φωτοσύνθεση στα φυτά.

Σημειώσεις

Αυτό

Στο μέλλον, οι άνθρωποι θα αρχίσουν να καλύπτουν τις στέγες των σπιτιών τους με ένα νέο μεταλλικό-οργανικό υλικό, παράγοντας έτσι ενέργεια για το νοικοκυριό και καθαρίζοντας τον αέρα στην αυλή.

Μια ομάδα επιστημόνων από το Πανεπιστήμιο της Κεντρικής Φλόριντα και το Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Φλόριντα δημιούργησαν ένα νέο υλικό που, όταν εκτίθεται στο ορατό φως, μετατρέπει το διοξείδιο του άνθρακα σε οργανική ύλη μέσω τεχνητής φωτοσύνθεσης.

Οι προσπάθειες αναπαραγωγής της φωτοσύνθεσης - η μετατροπή της ενέργειας του ηλιακού φωτός σε ενέργεια χημικών δεσμών - έχουν γίνει εδώ και πολύ καιρό, αλλά πρόσφατα έχουν ενταθεί λόγω της υπερθέρμανσης του πλανήτη. Το γεγονός είναι ότι το CO 2, το οποίο χρησιμεύει ως πρώτη ύλη για τη φωτοσύνθεση, είναι δεύτερο μόνο μετά τους υδρατμούς που περιέχονται στην ατμόσφαιρα ως προς τη συμβολή του στο φαινόμενο του θερμοκηπίου.

Οι φωτοκαταλυτικές ιδιότητες είναι γνωστές για ορισμένες μη βιολογικές ουσίες, ιδιαίτερα για μεταλλικά-οργανικά πλαίσια - κρυσταλλικές ενώσεις που αποτελούνται από μέταλλα και οργανικές ουσίες. Εμφανίζονται συνήθως κάτω από το υπεριώδες φως, το οποίο αποτελεί μόνο το 4 τοις εκατό του ηλιακού φωτός. Επιπλέον, συνήθως χρησιμοποιούν εξαιρετικά ακριβά μέταλλα όπως η πλατίνα, το ρήνιο και το ιρίδιο. Εξαιτίας αυτού, η χρήση τους για τεχνητή φωτοσύνθεση είναι πολύ ακριβή. Στην εργασία τους, οι επιστήμονες αποφάσισαν να χρησιμοποιήσουν ένα μεταλλικό-οργανικό πλαίσιο βασισμένο σε πολύ πιο προσιτό τιτάνιο. Το οργανικό μέρος ουσιαστικά λειτουργούσε ως «κεραία» για την απορρόφηση του φωτός. Τροποποιώντας ελαφρά αυτήν την ουσία, οι ερευνητές θα μπορούσαν να αλλάξουν το εύρος του φωτός στο οποίο λειτουργεί. Αποφάσισαν να το προσαρμόσουν στο μπλε.

Για να προσομοιώσουν τον ηλιακό φωτισμό, οι μηχανικοί συναρμολόγησαν έναν «φωτοαντιδραστήρα» - έναν κύλινδρο καλυμμένο στο εσωτερικό με λωρίδα LED που εκπέμπει μπλε φως. Μια φιάλη με μια ουσία αιωρήθηκε μέσα στον κύλινδρο, η οποία εμφυσήθηκε με διοξείδιο του άνθρακα. Η υπόθεση των επιστημόνων επιβεβαιώθηκε και μέρος του CO 2 μετατράπηκε σε οργανικές ουσίες: μυρμηκικό και φορμαμίδιο, το οποίο μπορεί να θεωρηθεί ηλιακό καύσιμο και να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ενέργειας.

Στο μέλλον, οι επιστήμονες πρόκειται να αυξήσουν την αποτελεσματικότητα της τεχνητής φωτοσύνθεσης και την ποσότητα του επεξεργασμένου CO 2, καθώς και να προσαρμόσουν το υλικό τους για άλλες περιοχές ορατού φωτός. Πρότειναν επίσης την ιδέα της δημιουργίας ειδικών μονάδων επεξεργασίας σε εργοστάσια με μεγάλες ποσότητες εκπομπών αερίων θερμοκηπίου που θα επεξεργάζονται το CO 2 που απελευθερώνεται από την παραγωγή, θα το μετατρέπουν σε ενέργεια και θα το επιστρέφουν στη μονάδα.

Αυτή δεν είναι η πρώτη μελέτη αφιερωμένη στην τεχνητή φωτοσύνθεση. Για παράδειγμα, το 2015, οι επιστήμονες δημιούργησαν μια συσκευή που χωρίζει το νερό σε οξυγόνο και υδρογόνο στο φως για κυψέλες καυσίμου υδρογόνου-οξυγόνου και στη συνέχεια στο MIT έδειξαν μια παρόμοια συσκευή στην οποία το προκύπτον υδρογόνο και άνθρακας από τον αέρα επεξεργάζονται με γενετικά τροποποιημένα βακτήρια σε υγρό καύσιμο. Ορισμένοι ερευνητές προτιμούν να μην δημιουργούν τεχνητές μηχανές φωτοσύνθεσης, αλλά να αυξάνουν την αποτελεσματικότητα της φωτοσύνθεσης στα φυτά, όπως έκανε πρόσφατα μια διεθνής ομάδα επιστημόνων. δημοσίευσε

Η υψηλή απόδοση του φυσικού είναι ένα σαφές σημείο αναφοράς στην ανάπτυξη της βιομηχανίας ηλιακής ενέργειας. Ωστόσο, αυτό το φυσικό παράδειγμα υψηλής απόδοσης μπορεί τώρα να είναι ξεπερασμένο.

Για πρώτη φορά, οι επιστήμονες κατάφεραν να συνδυάσουν αποτελεσματικά τη χημική ηλεκτρόλυση με τη δραστηριότητα των βακτηρίων. Το σύστημα παράγει αλκοόλ και άλλες ουσίες κυριολεκτικά «από τον αέρα»

Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ δημιούργησαν ένα βιονικό σύστημα που μετατρέπει και αποθηκεύει την ηλιακή ενέργεια σε χημική μορφή χρησιμοποιώντας έναν υβριδικό μηχανισμό ανόργανων υλικών και ζωντανών μικροοργανισμών. Αυτό το πρόγραμμα βοηθά στην επίλυση δύο προβλημάτων ταυτόχρονα: 1) διατήρηση, η οποία παράγεται σε υπερβολικό βαθμό κατά τη διάρκεια της ημέρας και η οποία δεν αρκεί το βράδυ. 2) απομάκρυνση της περίσσειας CO2 από την ατμόσφαιρα.

Η συσκευή, που ονομάζεται Bionic leaf 2.0, βασίζεται σε μια προηγούμενη έκδοση του φύλλου, η οποία αναπτύχθηκε από την ίδια ομάδα επιστημόνων. Το σύστημα παραγωγής ενέργειας αποτελείται από ένα ηλιακό πάνελ τοποθετημένο ανάμεσα σε φύλλα καταλύτη κοβαλτίου και ένα στοιχείο με βακτήρια Ralstonia eutropha που καταλαμβάνουν το κάτω μισό του φύλλου. Όταν βυθιστεί σε δοχείο με νερό σε θερμοκρασία δωματίου και κανονική πίεση, το τεχνητό φύλλο προσομοιώνει τη φωτοσύνθεση. Το ρεύμα από τις ηλιακές πλάκες Bionic Leaf 2.0 τροφοδοτείται σε καταλύτες που διασπούν τα μόρια του νερού σε οξυγόνο και υδρογόνο. Στη συνέχεια, το υδρογόνο εισέρχεται στα κύτταρα των ΓΤ βακτηρίων, τα οποία διακρίνονται από το γεγονός ότι μπορούν να συνδυάσουν μόρια υδρογόνου με άνθρακα που λαμβάνεται από τον αέρα και να τα μετατρέψουν σε υγρό καύσιμο.

Το προκύπτον υδρογόνο θα μπορούσε ήδη να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο, αλλά οι επιστήμονες αποφάσισαν να περιπλέξουν το σύστημα για να το κάνουν πιο αποτελεσματικό. Στο επόμενο στάδιο, τα βακτήρια Ralstonia eutropha μπαίνουν στο παιχνίδι, τα οποία τρέφονται με υδρογόνο και CO2 από την ατμόσφαιρα. Χάρη σε αυτά τα θρεπτικά συστατικά, η βακτηριακή αποικία αυξάνεται ενεργά σε μέγεθος. Ανάμεσα στα απόβλητα των μικροοργανισμών είναι διάφορες χρήσιμες χημικές ουσίες. Οι επιστήμονες πειραματίστηκαν με γενετική τροποποίηση και ανέπτυξαν βακτήρια που παράγουν διαφορετικούς τύπους αλκοόλης (C3 και C4+C5 στα διαγράμματα) και πλαστικούς πρόδρομους (PHB στα διαγράμματα).

«Για αυτήν την εργασία, αναπτύξαμε έναν νέο καταλύτη με βάση το κοβάλτιο και τον φώσφορο που δεν παράγει αντιδραστικά είδη οξυγόνου. Αυτό μας επέτρεψε να μειώσουμε το άγχος, το οποίο οδήγησε σε απότομη αύξηση της αποτελεσματικότητας», σχολιάζει ένας από τους συγγραφείς του έργου.

Οι επιστήμονες προσπαθούν να αναπτύξουν βακτήρια σε ηλεκτρόδια εδώ και δεκαετίες για να τα αναγκάσουν να λάβουν μέρος σε μια χημική αλυσίδα αντιδράσεων, αλλά σε αυτή τη διαδικασία ανακύπτουν συνεχώς διάφορα προβλήματα που τους εμπόδισαν να δημιουργήσουν ένα πραγματικά αποτελεσματικό σύστημα

Τα κυριότερα από αυτά τα προβλήματα είναι η έκπλυση βαρέων μετάλλων από τα ηλεκτρόδια, καθώς και η εμφάνιση οξυγόνου σε ενεργή μορφή. Και οι δύο αυτές διαδικασίες αναστέλλουν τη ζωή ευτυχισμένων, υγιών βακτηρίων. Μια σημαντική ανακάλυψη από χημικούς του Χάρβαρντ ήταν η χρήση ενός συστήματος ηλεκτρόλυσης με κάθοδο και άνοδο με βάση το κοβάλτιο. Ουσιαστικά, η κάθοδος και η άνοδος παράγουν ένα συνεργιστικό αποτέλεσμα, που αντιπροσωπεύει ένα σύστημα αυτοίασης. Αν το ένα υποβαθμίζεται, το δεύτερο το τροφοδοτεί με ουσίες και το αντίστροφο.

«Πιστεύω ότι αυτή είναι πραγματικά πολύ συναρπαστική έρευνα», είπε ο Johannes Lischner του Imperial College του Λονδίνου. «Η μετατροπή του ηλιακού φωτός σε χημικά καύσιμα με υψηλή απόδοση είναι κάτι από το Άγιο Δισκοπότηρο για τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας».

Σύμφωνα με ανεξάρτητους ειδικούς που δεν συμμετέχουν σε αυτή τη μελέτη, το επιστημονικό έργο είναι πραγματικά επαναστατικό. Για πρώτη φορά στην ιστορία, οι επιστήμονες μπόρεσαν να συνδυάσουν τη χημική ηλεκτρόλυση με τη δραστηριότητα των βακτηρίων με υψηλή απόδοση μετατροπής και διατήρησης ενέργειας. Οι εργασίες προς αυτή την κατεύθυνση συνεχίζονται από τη δεκαετία του 1960.

Εάν συνδυάσετε αυτό το σύστημα με συμβατικά ηλιακά κύτταρα, η απόδοση ανάκτησης CO2 θα είναι περίπου 10% - αυτό είναι υψηλότερο από ό,τι στη φυσική φωτοσύνθεση!

Οι επιστήμονες αναμένουν ότι το σύστημα αποδοτικής ηλεκτρόλυσης τους για τη μετατροπή της ενέργειας σε υγρό καύσιμο θα χρησιμοποιηθεί κυρίως σε αναπτυσσόμενες χώρες όπου δεν υπάρχει ανεπτυγμένη ηλεκτρική υποδομή για τη διανομή και αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από τα ηλιακά πάνελ κατά τη διάρκεια της ημέρας.