Fotosintesi artificiale per produrre idrogeno. Fotosintesi artificiale

Ma allo stesso tempo ci sono diversi seri ostacoli all’ulteriore sviluppo del settore. L’efficienza di conversione della luce solare con pannelli al silicio ha quasi raggiunto il suo massimo, i sistemi per immagazzinare l’elettricità in eccesso non sono sufficientemente sviluppati (sia tecnologicamente che in termini infrastrutturali) e le reti elettriche non sono pronte per le loro nuove funzioni – fornire elettricità da fonti disperse a bassa energia. fonti di energia.

Pertanto, c'è una ricerca attiva di opportunità per portare l'energia solare a un nuovo livello, oltre i confini dei già tradizionali pannelli in silicio. Molti scienziati e imprenditori stanno iniziando a dare un'occhiata più da vicino alle piante.

Da quando esistono, le piante hanno la capacità di convertire l’energia della luce solare in energia chimica, che alimenta la loro vita. Per non parlare della capacità di convertire l’anidride carbonica in ossigeno in questo processo (che sarebbe molto utile anche per l’umanità ricreare).

Cosa c'è di così rivoluzionario nella fotosintesi artificiale?

La fotosintesi artificiale ci permetterà di ottenere più energia dalla luce solare e permetterà di accumularla in modo efficace.

Questo processo convertirà la luce solare in energia chimica che potrà essere comodamente immagazzinata. Non ci saranno sottoprodotti come i gas serra. Al contrario, il processo può utilizzare l’anidride carbonica allo stesso modo delle piante.

Piante per questo utilizzare la clorofilla . Si trova nelle foglie e cattura la luce solare e un insieme di enzimi e altre proteine ​​utilizzano questa luce per scomporre le molecole d'acqua in idrogeno, elettroni e ossigeno (protoni). Gli elettroni e l'idrogeno vengono utilizzati per convertire la CO2 in nutrienti per la pianta e l'ossigeno viene rilasciato nell'atmosfera.

Cosa è necessario affinché il processo abbia luogo? artificiale fotosintesi?

Per ricreare la fotosintesi in condizioni artificiali sono necessari due passaggi fondamentali: l’abilità raccogliere l'energia solare e abilità scomporre le molecole d’acqua.

Ma a differenza della fotosintesi naturale, è necessario che il risultato non sia ossigeno, ma idrogeno (o un altro biogas, ad esempio il metano).

Esiste una sorta di installazione in cui avviene la fotosintesi artificiale?

Non esiste un'installazione così universale. La fotosintesi artificiale è ancora un processo esclusivamente sperimentale e per avviarlo gli scienziati stanno utilizzando approcci completamente diversi. E finora sono tutti solo per i laboratori. Ma esiste un concetto generale per l'ambiente in cui avviene la fotosintesi artificiale: foglia "artificiale"..

Esempi di impianti per la fotosintesi artificiale

La foglia artificiale è il luogo in cui i semiconduttori e i batteri viventi vengono posizionati ed esposti alla luce solare. Per la prima volta, una foglia artificiale (sistema bioibrido fotosintetico) è stata testata con successo non molto tempo fa, nell'aprile 2015.

Per avviare il processo di fotosintesi artificiale in una foglia artificiale, durante quel primissimo esperimento, gli scienziati hanno messo tutti i materiali nell'acqua, nella quale hanno pompato anidride carbonica, illuminando l'intero sistema con la luce solare.

I semiconduttori in questo processo raccolgono energia solare, generando la carica necessaria affinché avvenga la reazione in questa soluzione. Il batterio utilizza gli elettroni generati dal semiconduttore per convertire (o ridurre) le molecole di anidride carbonica e, di conseguenza, creare combustibile liquido: può essere idrogeno, metano, etanolo, ecc. Allo stesso tempo, l'acqua viene ossidata sulla superficie del un altro semiconduttore e viene rilasciato ossigeno.

I pannelli solari raccolgono energia da molto tempo e possono anche produrre idrogeno. Perché è difficile la fotosintesi artificiale?

Tutta la difficoltà sta nella scissione di una molecola acqua - per garantire che gli elettroni vengano inviati per supportare il processo chimico di produzione dell'idrogeno. Per dividere l'acqua sono necessari circa 2,5 volt di energia. Ciò significa che il processo richiede un catalizzatore che farà muovere tutti gli “elementi dell’equazione”.

Ma creare un catalizzatore efficace è difficile e, sebbene alcuni di essi siano abbastanza utilizzabili in laboratorio (recentemente gli scienziati sono arrivati ​​​​a utilizzare due catalizzatori), risultano inadatti alle condizioni “sul campo”.

Innanzitutto, numerosi composti utilizzati nei laboratori contengono metalli nobili costosi o tossici pesanti. In secondo luogo, alcuni processi avvengono solo a temperature molto elevate o sotto la luce ultravioletta e molti dei composti utilizzati perdono rapidamente le loro proprietà catalitiche. Entrambi sono inaccettabili per l’uso commerciale e la produzione di energia su larga scala.

Cosa stanno facendo per risolvere questo problema?

Fanno molti esperimenti.

Innanzitutto ci sono scienziati che stanno sviluppando una fotosintesi completamente artificiale (abiotica). Imitano il processo naturale, senza il coinvolgimento di organismi viventi. Nel complesso, questi sviluppi si riducono alla creazione di un catalizzatore fondamentalmente nuovo, poiché quelli esistenti (basati su metalli come magnesio, titanio, cobalto, rutenio, ecc.) sono lungi dall'essere efficaci.

In secondo luogo, ci sono sviluppi che utilizzano organismi viventi (finora solo batteri e singole cellule), costringendoli a generare energia sotto forma di idrogeno o altri biocarburanti. Oggi questa particolare direzione è considerata una delle tecnologie più promettenti per lo sviluppo della fotosintesi artificiale. Utilizzando cellule viventi amplia la portata dello sviluppo (oltre alla ricerca di un catalizzatore più adatto) e consente l'uso di meccanismi naturali già esistenti. Ma si tratta di interferire con la struttura genetica della cellula.

In che modo le modificazioni genetiche possono aiutare a generare energia?

In termini generali, si prende una cellula vivente, preferibilmente dotata di capacità di fotosintesi, e in essa vengono introdotte “funzioni” per la produzione di energia.

Ad esempio, il Laboratorio Algenol in Florida sta conducendo un esperimento di questo tipo sui cianobatteri (anch'essi capaci di fotosintesi, ma con cui è molto più facile interferire geneticamente rispetto alle cellule dei cloroplasti nelle foglie). Gli scienziati sono riusciti a creare un ecosistema acquatico funzionante in modo autonomo in cui vivono i cianobatteri, geneticamente modificati appositamente per la produzione di etanolo. Questo metodo richiede solo 1/10 dell'area necessaria per produrre etanolo da altre fonti di bioenergia (ad esempio, lavorazione del mais o altre colture).

È anche possibile sintetizzare un intero organismo da zero: questo è ciò su cui sta lavorando il J. Craig Venter Institute. Qui vogliono creare un nuovo batterio separato che combinerà la capacità di assorbimento della luce insita nei cianobatteri con la capacità di scissione dell’acqua insita in altri batteri fotosintetici.

Idealmente, l’obiettivo di questi studi è creare da zero una cellula artificiale che genera energia, utilizzando il genoma più semplice. Ciò consentirebbe agli scienziati di selezionare le caratteristiche più utili da una cellula, evitando i geni responsabili di altre funzioni che consumano energia in eccesso.

Come possono questi pannelli OGM pulire l’aria?

Durante il processo di fotosintesi, le piante viventi assorbono l’anidride carbonica, convertono il carbonio in glucosio e lo “consumano” per le loro esigenze di supporto vitale e rilasciano ossigeno nell’atmosfera. Attraverso la fotosintesi artificiale si può ricreare qualcosa di simile.

Alcune settimane fa, gli scienziati della Florida hanno riferito di essere riusciti a utilizzare la fotosintesi per catturare l’anidride carbonica e poi convertirla in biocarburante. Hanno sintetizzato un materiale chiamato struttura metallo-organica, costituito da titanio e molecole organiche che funzionano come antenne che catturano la luce per catturare l’energia della luce visibile. Le molecole del materiale hanno una forma a nido d'ape, con vuoti che possono essere riempiti con anidride carbonica attraverso il processo di diffusione. Ma per innescare la reazione di distruzione dell'anidride carbonica, gli scienziati utilizzano lo spettro blu della luce, a seguito di una reazione chimica della CO2 si ottengono prodotti simili agli zuccheri naturali prodotti dalle piante.

Gli scienziati affermano che la loro tecnologia potrebbe eventualmente essere utilizzata nelle centrali elettriche per catturare l’anidride carbonica durante la combustione del gas.

Gli scienziati di Harvard hanno presentato una tecnologia simile. L'efficienza di conversione dell'anidride carbonica pura con questo sistema è del 10%, se i batteri la catturano dall'aria - 3-4%.

Come utilizzare questo processo “miracoloso”? Può essere incorporato nei pannelli solari?

In ogni caso, prendere una pianta geneticamente modificata in un vaso e collegarla per caricare il cellulare non funzionerà. Almeno per ora.

La fotosintesi artificiale in ogni caso, anche quella più efficiente, produce idrogeno, che può poi essere convertito in energia elettrica, se necessario. Ciò è positivo, poiché l’idrogeno è molto più conveniente da immagazzinare rispetto all’elettricità.

Il consumo incontrollato di risorse fossili ha portato il mondo sulla soglia di una crisi ambientale ed energetica. In una situazione del genere, è necessaria una fonte di energia fondamentalmente diversa, che, da un lato, si adatterebbe al nostro mondo petrolifero e, dall’altro, sarebbe rinnovabile, rispettosa dell’ambiente ed economicamente redditizia. Una possibile soluzione è la fotosintesi artificiale (AP), grazie alla quale sono già apparse installazioni artificiali per la sintesi di materia organica da elettricità e luce, nonché sorprendenti batteri fotosintetici corazzati a semiconduttore.

Crisi energetica globale o perché è necessaria la fotosintesi artificiale

Oggi, la già numerosa popolazione del pianeta aumenta dell’1% ogni anno. L’umanità soddisfa il proprio fabbisogno energetico, che cresce ogni anno, principalmente attraverso le risorse fossili. Ma non è più un segreto che le riserve di petrolio e carbone siano limitate e nella maggior parte dei casi non rinnovabili. Quando i loro volumi non corrisponderanno più al ritmo di sviluppo globale (o addirittura saranno esauriti), il mondo si troverà ad affrontare una crisi energetica di proporzioni senza precedenti.

Possiamo già vedere la feroce lotta che è scoppiata sulla scena mondiale per le grandi fonti di combustibili fossili. In futuro ci sarà sempre meno carburante e i conflitti di interessi si verificheranno sempre più spesso.

Negli ultimi due secoli, l'umanità è stata accecata dalla disponibilità di risorse energetiche fossili e ha sviluppato molte tecnologie basate su di esse, senza le quali la vita oggi è semplicemente impensabile. Prima c'erano le locomotive a carbone e a vapore, poi le persone hanno imparato a ottenere elettricità bruciando lo stesso carbone, a produrre stufe a gas, trasporti privati ​​e pubblici: tutto ciò richiede il consumo di sostanze organiche immagazzinate milioni di anni fa. Utilizzando l’energia di queste sostanze, l’umanità ha fatto un salto in molti ambiti della vita sociale: la popolazione mondiale ha superato i 7 miliardi, città e stati fiorenti sono sorti nei deserti, la capacità produttiva e i livelli di consumo aumentano di anno in anno. Senza dubbio, il mondo moderno è impensabile senza carbone, prodotti petroliferi e gas.

Qui entra in gioco il dilemma dell’energia moderna: da un lato la necessità di passare alle fonti energetiche rinnovabili è assolutamente evidente, dall’altro il mondo non è attrezzato per consumare tale energia. Tuttavia, nell’ultimo decennio, si è assistito a un crescente sviluppo di una fonte energetica in grado di risolvere questo dilemma. Stiamo parlando di fotosintesi artificiale (IF)- un modo per convertire l'energia solare in una forma conveniente di combustibile organico.

Non dobbiamo dimenticare che la combustione di carburante porta a massicce emissioni di CO 2 nell'atmosfera, influenzando negativamente lo stato dell'intera biosfera. Nelle grandi città, questa influenza è particolarmente evidente: migliaia di auto e imprese fumanti creano smog e ogni abitante della città, uscendo dalla città, ammira prima di tutto l'aria fresca. La creazione di una fonte energetica che, come le piante, assorbisse CO 2 e producesse O 2, potrebbe fermare il degrado ambientale a tutta velocità.

Pertanto, l’IF rappresenta una potenziale soluzione sia alla crisi energetica globale che a quella ambientale. Ma come funziona l'IF e in cosa differisce dal naturale?

imperfezione del verde

Figura 2. Fotosintesi non ciclica nelle piante. Un elettrone lascia la clorofilla eccitata dalla luce del fotosistema II (PS-II) e il “buco” risultante viene riempito dagli elettroni rilasciati durante la scissione dell’acqua. Il ricevitore finale degli elettroni non è il pigmento del fotosistema, come nei batteri viola, ma il NADP+. Un'altra differenza è che nelle piante due fotosistemi (PS-I e PS-II) formano un meccanismo accoppiato e un ciclo del suo funzionamento richiede l'assorbimento di due fotoni. Il complesso b 6 f non è mostrato nella figura.

Il gradiente H+ risultante fornisce energia per la sintesi di ATP da parte dell'enzima ATP sintasi, in modo simile a come l'acqua che cade fornisce energia per un mulino ad acqua (Figura 3). L'ATP è un vettore universale di energia chimica nella cellula ed è coinvolto nella stragrande maggioranza delle reazioni che consumano energia, comprese le reazioni del ciclo di Calvin, che assicurano la conversione della CO 2 in sostanze organiche ridotte. In questo ciclo, la maggior parte dell’energia viene spesa per combattere le reazioni collaterali. Esistono altri modi per assimilare il carbonio, ad esempio il percorso Wood-Ljungdahl, di cui parleremo più avanti.

Figura 3. Immagazzinamento dell'energia luminosa. Durante la fotosintesi, le proteine ​​del fotosistema trasferiscono i protoni attraverso la membrana utilizzando l'energia dei fotoni. L'enzima ATP sintasi ripristina il gradiente di concentrazione H + risultante e produce il vettore energetico universale nella cellula: ATP. L'analogia con un mulino ad acqua rotante è in realtà molto vicina alla realtà.

Sebbene la fotosintesi alla fine fornisca energia all’intera biosfera, l’efficienza di questo processo lascia molto a desiderare (Tabella 1). Il detentore del record per la fotosintesi è il sorgo, coltivato per la produzione di biocarburanti, la cui efficienza di conversione dell'energia solare in energia chimica è del 6,6%. Per fare un confronto: patate, grano e riso ne hanno circa il 4%.

Tabella 1. Parametri energetici della fotosintesi. La fotosintesi è un processo a più fasi e in ciascuna fase parte dell’energia solare viene persa. La bassa efficienza della fotosintesi è il suo principale svantaggio rispetto alle moderne batterie solari. L'energia solare incidente sulla foglia è considerata pari al 100%. La tabella è compilata sulla base dei dati di.

Causa della perdita di energia	Perdita di energia	Resto
Assorbimento dei fotoni solo nella parte visibile dello spettro	47%	53%
Solo una parte del flusso luminoso attraversa le parti fotosintetiche della foglia	70%	37%
Sebbene nella luce visibile siano presenti fotoni ad alta e a bassa energia, vengono tutti assorbiti dai fotosistemi come fotoni a bassa energia (una sorta di principio della carovana).	24%	28%
Perdite durante la sintesi del glucosio	68%	9%
Pulizia delle foglie dai sottoprodotti della fotosintesi ( cm. fotorespirazione)	32%	6%

Allo stesso tempo, l'efficienza tipica delle moderne celle solari è del 15-20% e i prototipi hanno raggiunto un valore del 46%. Questa differenza nell'efficienza delle fotocellule artificiali e delle piante viventi è spiegata principalmente dall'assenza di fasi di sintesi. Ma c’è una differenza più sottile: i fotosistemi delle piante estraggono energia solo dai fotoni della luce visibile con lunghezze d’onda di 400-700 nm, e l’emissione dei fotoni ad alta energia è esattamente la stessa dei fotoni a bassa energia. I semiconduttori utilizzati nelle celle solari catturano fotoni da uno spettro più ampio. E per massimizzare la resa, una singola batteria combina materiali progettati specificamente per diverse parti dello spettro solare.

L'obiettivo finale degli ingegneri IF è creare una pianta (o un organismo artificiale) che possa svolgere la fotosintesi meglio delle piante. Oggi la bioingegneria ha raggiunto un livello in cui è possibile provare a farlo. E di anno in anno, i tentativi degli scienziati si avvicinano sempre di più al loro caro obiettivo, facendoci meravigliare di fronte a scoperte incredibili.

Un SE così diverso

Lo schema IF più semplice è sintesi completamente abiotica di materia organica su un catalizzatore. Nel 2014 è stato scoperto un catalizzatore al rutenio che, una volta illuminato, sintetizza il metano da H 2 e CO 2. In condizioni ottimali, che includono il riscaldamento a 150°C e un'illuminazione intensa, un grammo di questo catalizzatore crea una millimole di metano all'ora, che, ovviamente, è molto piccola. Gli stessi scienziati che studiano il catalizzatore ammettono che una tale velocità di reazione, a un costo piuttosto elevato del catalizzatore, è troppo bassa per il suo uso pratico.

La vera fotosintesi è un processo a più fasi, in ogni fase si verifica la perdita di energia. Ciò è in parte positivo perché apre molte possibilità di ottimizzazione. Nel caso della fotosintesi abiogenica, tutto ciò che si può fare è inventare un catalizzatore fondamentalmente nuovo.

Un approccio completamente diverso all'IF - creazione di bioreattori alimentati da energia solare. In tali bioreattori, stranamente, usano Non microrganismi fotosintetici che possono ancora fissare la CO 2 utilizzando altre fonti di energia.

Facciamo conoscenza con diversi tipi di progetti di dispositivi per IF utilizzando esempi specifici.

Nel 2014 sono stati pubblicati i risultati dei test di un impianto che converte la corrente in biomassa con un'efficienza record del 13%. Per ottenere un reattore IF, devi solo collegare un pannello solare. Questa installazione è essenzialmente una cella elettrochimica (Fig. 4 UN), dove due elettrodi vengono posti in un mezzo nutriente con batteri Ralstonia eutropha(sono - Cupriavidus necatore). Quando viene applicata una corrente esterna, il catalizzatore sull'anodo divide l'acqua in ossigeno e protoni, e il catalizzatore sul catodo riduce i protoni in gas idrogeno. R. eutropha riceve energia per l'assimilazione della CO 2 nel ciclo di Calvin dovuto all'ossidazione dell'H 2 da parte dell'enzima idrogenasi.

Figura 4. Bioreattori per IF basati su celle elettrochimiche. La corrente può essere generata mediante fotolisi dell'acqua all'anodo utilizzando una cella solare (UN) o senza di essa (B) . In entrambi i casi, gli elettroni prelevati dall'acqua forniscono ai microbi autotrofi gli equivalenti riducenti necessari per la fissazione della CO2.

Secondo i calcoli degli sviluppatori, combinando la loro installazione con una tipica batteria solare (efficienza del 18%) si otterrà un'efficienza totale della fotosintesi del 2,5% se tutta l'energia luminosa viene convertita in crescita di biomassa e dello 0,7% se i batteri geneticamente modificati che sintetizzano il butanolo sono usati. Questo risultato è paragonabile all'efficienza della fotosintesi nelle piante reali, sebbene non raggiunga il livello delle piante coltivate. Capacità R. eutropha sintetizzare sostanze organiche in presenza di H 2 è molto interessante non solo nel contesto dell'IF, ma anche come possibile applicazione dell'energia dell'idrogeno.

Nel 2015, gli scienziati californiani hanno creato un'installazione altrettanto interessante, in cui le fasi di assorbimento e sintesi della luce sono più strettamente correlate. Il fotoanodo del reattore progettato, quando illuminato, divide l'acqua in ossigeno, protoni ed elettroni, che vengono inviati lungo un conduttore al catodo (Fig. 4 B). Per aumentare la velocità di fotolisi dell'acqua che avviene all'interfaccia, il fotoanodo è costituito da nanofili di silicio, che ne aumentano notevolmente la superficie.

Il catodo di questa installazione è costituito da una “foresta” di nanotubi di TiO 2 (Fig. 5 UN), tra i quali crescono i batteri Sporomusa ovata. Gli elettroni del fotoanodo vanno specificatamente a questi batteri, che li utilizzano come equivalenti riducenti per convertire la CO 2 disciolta nel mezzo in acetato.

Figura 5. La fotosintesi artificiale è impensabile senza i nanomateriali. UN - Nel reattore IF dell'articolo CO 2 vengono registrati i batteri che crescono in una “nanoforesta” di barre di silicio rivestite con TiO 2 (strato di 30 nm); Questa nanoforesta crea le condizioni anaerobiche necessarie per i batteri e aumenta la densità superficiale di contatto tra i batteri e il conduttore. B - Con un approccio fondamentalmente diverso, non sono i batteri a essere posizionati sul semiconduttore, ma il semiconduttore a essere posizionato sui batteri; Grazie al guscio di CdS, i batteri che muoiono alla luce diventano fotosintetici.

La nanoforesta di TiO 2 svolge diverse funzioni contemporaneamente: fornisce un'alta densità di batteri al contatto, protegge i batteri anaerobici obbligati S. ovata dall'ossigeno disciolto nell'ambiente e può anche convertire la luce in elettricità, aiutando i batteri a fissare la CO 2.

S. ovata- batteri con un metabolismo molto flessibile, che si adatta facilmente alla crescita nella cosiddetta modalità elettrotrofica. Fissano la CO 2 attraverso il percorso Wood-Ljungdahl, in cui solo il 10% dell'acetato viene utilizzato per la crescita della biomassa e il restante 90% viene rilasciato nell'ambiente.

Ma l'acetato in sé non è particolarmente prezioso. Per convertirlo in sostanze più complesse e costose, nel reattore vengono introdotte sostanze geneticamente modificate. Escherichia coli, sintetizzando butanolo, isoprenoidi o poliidrossibutirrato dall'acetato. Ultima sostanza Escherichia coli produce con la massima resa.

Per quanto riguarda l'efficienza dell'intera installazione, è molto bassa. Solo lo 0,4% dell'energia solare può essere convertito in acetato e la conversione dell'acetato in poliidrossibutirrato avviene con un'efficienza del 50%. In totale, solo lo 0,2% dell’energia luminosa può essere immagazzinato sotto forma di materia organica, che può essere ulteriormente utilizzata come combustibile o materia prima per la produzione chimica. Gli sviluppatori ritengono che il loro risultato principale sia che l'installazione da loro creata può essere utilizzata per sintesi chimiche completamente diverse senza modifiche fondamentali nella progettazione. Ciò mostra un'analogia con la fotosintesi naturale, dove alla fine tutti i tipi di sostanze organiche vengono sintetizzati dal fosfoglicerato di CO 2 3 ottenuto attraverso l'assimilazione.

In entrambe le tecnologie descritte, gli sviluppatori hanno cercato di combinare l'eccellenza dei semiconduttori come assorbitori di energia luminosa con il potere catalitico dei sistemi biologici. Ed entrambe le installazioni risultanti erano celle a combustibile “inverse”, dove la corrente viene utilizzata per sintetizzare le sostanze.

In un approccio fondamentalmente diverso, le singole celle vengono combinate con i semiconduttori in un unico insieme. Pertanto, all'inizio del 2016, è stato pubblicato un lavoro in cui viene descritto il batterio acetogeno Moorella termoacetica coltivato in un ambiente ricco di cisteina e cadmio. Di conseguenza, di solito muore alla luce M. termoacetica era ricoperto da un guscio di CdS (semiconduttore) e quindi non solo riceveva protezione dal sole, ma diventava anche un fotosintetico: gli elettroni del CdS entravano nel percorso Wood-Ljungdahl (Fig. 5 B).

Esperimenti su un batterio così “corazzato” hanno dimostrato che la CO 2 viene fissata non solo alla luce, ma anche al buio (soggetto al ciclo quotidiano). La ragione di ciò è l'accumulo di metaboliti fotosintetici alla luce in quantità tali che le cellule non hanno il tempo di elaborarli. Il vantaggio principale di tali batteri rispetto alle cellule sopra descritte è l'autoorganizzazione. Per le cellule è necessario preparare in anticipo nanomateriali e catalizzatori e queste stesse parti si consumano solo nel tempo. Quando M. termoacetica le unità fotosintetiche si dividono, producono e riparano da sole tutto ciò di cui hanno bisogno se c'è abbastanza cadmio e cisteina nell'ambiente. Questi batteri non sono ancora stati studiati come fonte di combustibile, ma in termini di resa quantica della fotosintesi non sono inferiori alle piante.

Non c'è molto da aspettare...

Le tecnologie IF sono ancora allo stadio di prototipo, ma i loro sviluppatori vedono un ampio margine di ottimizzazione. Puoi ottimizzare i semiconduttori che catturano la luce, i microrganismi, l'organizzazione spaziale dei batteri e altri catalizzatori. Ma prima di tutto bisogna risolvere il problema della stabilità. L'efficienza degli impianti realizzati diminuisce notevolmente già dopo pochi giorni di funzionamento. Un dispositivo completamente completo per l'IF, come ogni sistema vivente, deve rigenerarsi e auto-riprodursi. A questo proposito, è particolarmente interessante M. termoacetica, al quale tali proprietà si applicano pienamente.

E sebbene i campioni esistenti siano lungi dall’essere perfetti, il lavoro nel campo dell’IF è prezioso soprattutto perché mostra la possibilità fondamentale di integrare l’energia solare in un mondo catturato dal motore a combustione interna. Le turbine eoliche e i pannelli solari, ovviamente, hanno un’elevata efficienza e coprono già quasi completamente il consumo energetico in Uruguay e Danimarca, e le centrali idroelettriche sono nodi importanti nella rete energetica di molti paesi. Ma la sostituzione del carburante con l’elettricità nella maggior parte dei casi richiede una ristrutturazione radicale delle reti energetiche e non è sempre possibile.

L'ulteriore sviluppo del fondo d'investimento richiede ingenti investimenti. Si può immaginare che le aziende produttrici di celle solari, alle quali i futuristi prevedono il dominio mondiale nel campo dell’energia entro il 2030, saranno interessate allo sviluppo di questa scienza ancora giovane e inesperta all’intersezione tra bioenergia, scienza dei materiali e nanoingegneria. Chissà, forse in futuro l'IF non diventerà una cosa di tutti i giorni, o forse il lavoro su di esso darà slancio all'energia dell'idrogeno o al biofotovoltaico. Non abbiamo molto da aspettare, aspettare e vedere.

Letteratura

1. Piramidi della popolazione del mondo dal 1950 al 2100. (2013). PopulationPyramid.net;
2. Korzinov N. (2007).

Materiale da Wikipedia: l'enciclopedia libera

Fotosintesi artificiale- tentativi di riprodurre il processo naturale della fotosintesi. In questo caso, sotto l'influenza della radiazione elettromagnetica nello spettro visibile, l'acqua e l'anidride carbonica vengono convertite in ossigeno molecolare e glucosio. A volte la fotosintesi artificiale si riferisce alla separazione dell'acqua in idrogeno e ossigeno sotto l'influenza dell'energia solare.

La ricerca è finalizzata all'implementazione di un tipo di fotosintesi associata alla decomposizione dell'acqua in idrogeno e ossigeno. Questo processo è la prima fase della fotosintesi nelle piante (fase dipendente dalla luce). La conversione dell'anidride carbonica non richiede l'esposizione alla luce. L’idrogeno prodotto nella prima fase della fotosintesi artificiale può essere utilizzato nei motori a idrogeno per generare energia “pulita”.

La reazione indipendente dalla luce ("fase oscura", ciclo di Calvin) è la seconda fase della fotosintesi, durante la quale l'anidride carbonica viene convertita in glucosio. Il glucosio è una fonte di energia che garantisce la crescita delle piante. Si presume che questo processo, riprodotto su scala industriale, aiuterà a combattere il riscaldamento globale. La fase della fotosintesi indipendente dalla luce può essere utilizzata per assorbire l’anidride carbonica in eccesso dall’atmosfera. Tuttavia, un tale processo richiederà notevoli fonti di energia, come avviene durante la fotosintesi nelle piante.

Appunti

Questo

In futuro, le persone inizieranno a coprire i tetti delle loro case con un nuovo materiale metallo-organico, producendo così energia per la casa e purificando l'aria nel cortile.

Un team di scienziati dell’Università della Florida Centrale e della Florida State University ha creato un nuovo materiale che, se esposto alla luce visibile, converte l’anidride carbonica in materia organica attraverso la fotosintesi artificiale.

I tentativi di riprodurre la fotosintesi - la conversione dell'energia della luce solare nell'energia dei legami chimici - sono stati fatti per molto tempo, ma recentemente si sono intensificati a causa del riscaldamento globale. Il fatto è che la CO 2, che funge da materia prima per la fotosintesi, è seconda solo al vapore acqueo contenuto nell'atmosfera nel suo contributo all'effetto serra.

Per alcune sostanze non biologiche sono note proprietà fotocatalitiche, in particolare per le strutture metallo-organiche, composti cristallini costituiti da metalli e sostanze organiche. Di solito appaiono sotto la luce ultravioletta, che costituisce solo il 4% della luce solare. Inoltre, di solito utilizzano metalli estremamente costosi come platino, renio e iridio. Per questo motivo, utilizzarli per la fotosintesi artificiale è molto costoso. Nel loro lavoro, gli scienziati hanno deciso di utilizzare una struttura metallo-organica basata sul titanio, molto più accessibile. La parte organica fungeva essenzialmente da “antenna” per assorbire la luce. Modificando leggermente questa sostanza, i ricercatori potrebbero cambiare la gamma di luce in cui opera. Hanno deciso di adattarlo al blu.

Per simulare l'illuminazione solare, gli ingegneri hanno assemblato un “fotoreattore”: un cilindro ricoperto all'interno da una striscia LED che emette luce blu. Un pallone con una sostanza era sospeso all'interno del cilindro, che veniva soffiato con anidride carbonica. L'ipotesi degli scienziati è stata confermata e parte della CO 2 è stata convertita in sostanze organiche: formiato e formammide, che possono essere considerate combustibile solare e utilizzate per generare energia.

In futuro, gli scienziati aumenteranno l'efficienza della fotosintesi artificiale e la quantità di CO 2 trasformata, oltre ad adattare il loro materiale ad altri intervalli di luce visibile. Hanno anche proposto l'idea di creare impianti di trattamento speciali nelle fabbriche con grandi quantità di emissioni di gas serra che elaboreranno la CO 2 rilasciata dalla produzione, la convertiranno in energia e la restituiranno all'impianto.

Questo non è il primo studio dedicato alla fotosintesi artificiale. Ad esempio, nel 2015, gli scienziati hanno creato un dispositivo che divide l'acqua in ossigeno e idrogeno alla luce per celle a combustibile idrogeno-ossigeno, e poi al MIT hanno mostrato un dispositivo simile in cui l'idrogeno e il carbonio risultanti dall'aria vengono elaborati da cellule geneticamente modificate batteri nel combustibile liquido. Alcuni ricercatori preferiscono non creare macchine artificiali per la fotosintesi, ma aumentare l'efficienza della fotosintesi nelle piante, come ha fatto recentemente un gruppo internazionale di scienziati. pubblicato

L'elevata efficienza dell'energia naturale è un chiaro punto di riferimento nello sviluppo del settore dell'energia solare. Tuttavia, questo esempio naturale di alte prestazioni potrebbe ormai essere obsoleto.

Per la prima volta gli scienziati sono riusciti a combinare efficacemente l'elettrolisi chimica con l'attività dei batteri. Il sistema produce alcol e altre sostanze letteralmente “dal nulla”

I ricercatori dell’Università di Harvard hanno creato un sistema bionico che converte e immagazzina l’energia solare in forma chimica utilizzando un meccanismo ibrido di materiali inorganici e microrganismi viventi. Questo schema aiuta a risolvere due problemi contemporaneamente: 1) conservazione, che viene prodotta in eccesso durante le ore diurne e che non è sufficiente la sera; 2) rimuovere l'eccesso di CO2 dall'atmosfera.

Il dispositivo, chiamato Bionic leaf 2.0, si basa su una versione precedente del leaf, sviluppata dallo stesso team di scienziati. Il sistema di generazione di energia è costituito da un pannello solare inserito tra fogli di catalizzatore al cobalto e una cella con batteri Ralstonia eutropha che occupano la metà inferiore del foglio. La foglia artificiale, immersa in un recipiente pieno d'acqua a temperatura ambiente e pressione normale, simula la fotosintesi. La corrente proveniente dalle piastre solari Bionic leaf 2.0 viene alimentata a catalizzatori che dividono le molecole d'acqua in ossigeno e idrogeno. L'idrogeno entra poi nelle cellule dei batteri GM, che si distinguono per il fatto di poter combinare le molecole di idrogeno con il carbonio ottenuto dall'aria e convertirli in combustibile liquido.

L’idrogeno risultante potrebbe già essere utilizzato come combustibile, ma gli scienziati hanno deciso di complicare il sistema per renderlo più efficiente. Nella fase successiva entrano in gioco i batteri Ralstonia eutropha, che si nutrono di idrogeno e CO2 presenti nell’atmosfera. Grazie a questi nutrienti la colonia batterica aumenta attivamente di dimensioni. Tra i prodotti di scarto dei microrganismi ci sono varie sostanze chimiche utili. Gli scienziati hanno sperimentato la modificazione genetica e sviluppato batteri che producono diversi tipi di alcol (C3 e C4+C5 nei diagrammi) e precursori plastici (PHB nei diagrammi).

“Per questo lavoro abbiamo sviluppato un nuovo catalizzatore a base di cobalto e fosforo che non produce specie reattive dell’ossigeno. Questo ci ha permesso di ridurre lo stress, il che ha portato ad un netto aumento dell’efficienza”, commenta uno degli autori del lavoro.

Da decenni gli scienziati cercano di far crescere batteri sugli elettrodi per costringerli a prendere parte a una catena di reazioni chimiche, ma in questo processo sono costantemente sorti vari problemi che hanno impedito loro di creare un sistema veramente efficace

I principali di questi problemi sono la lisciviazione dei metalli pesanti dagli elettrodi, nonché la comparsa di ossigeno in forma attiva. Entrambi questi processi inibiscono la vita di batteri felici e sani. Un'importante scoperta dei chimici di Harvard è stata l'uso di un sistema di elettrolisi con un catodo e un anodo a base di cobalto. Essenzialmente, il catodo e l'anodo producono un effetto sinergico, rappresentando un sistema di autoriparazione. Se l'uno si degrada, il secondo gli fornisce sostanze, e viceversa.

"Penso che questa sia in realtà una ricerca piuttosto entusiasmante", ha affermato Johannes Lischner dell'Imperial College di Londra. “Convertire la luce solare in combustibili chimici ad alta efficienza è una sorta di Santo Graal per le energie rinnovabili”.

Secondo esperti indipendenti non coinvolti in questo studio, il lavoro scientifico è davvero rivoluzionario. Per la prima volta nella storia, gli scienziati sono stati in grado di combinare l'elettrolisi chimica con l'attività dei batteri con un'elevata efficienza di conversione e conservazione dell'energia. Il lavoro in questa direzione è in corso dagli anni ’60.

Se combini questo sistema con le celle solari convenzionali, l'efficienza di recupero della CO2 sarà di circa il 10% - questo è superiore a quello della fotosintesi naturale!

Gli scienziati prevedono che il loro sistema di elettrolisi efficiente per convertire l'energia in combustibile liquido troverà impiego principalmente nei paesi in via di sviluppo dove non esistono infrastrutture elettriche sviluppate per distribuire e immagazzinare l'elettricità generata dai pannelli solari durante il giorno.