Топливо из ниоткуда: зачем нужен искусственный фотосинтез
Фотосинтез является одним из самых важных процессов на Земле, чью исключительность признают все - от биологов до энергетиков. Как известно, почти всей энергией, которую мы используем, мы обязаны Солнцу. Нефть, газ и уголь появились благодаря способности организмов захватывать солнечную энергию и использовать ее для создания органических молекул путем фотосинтеза.

Фотосинтез позволяет растениям превращать энергию Солнца в топливо. Однако запасы ископаемых углеводородов рано или поздно закончатся, а технологии коммерческого производства водорода на базе фотосинтеза все еще требуют существенной доработки.

И тут на сцену выходит искусственный фотосинтез, который может произвести настоящую революцию в сфере возобновляемых источников энергии. Он позволяет расщепить солнечным светом воду с получением водорода и кислорода, которые образуют эффективное и экологически чистое топливо. Надо «всего лишь» не довести естественный процесс до конца, остановившись на первой стадии разделения молекулы воды на атомы кислорода и водорода под воздействием света и с помощью катализаторов.

Пока искусственный фотосинтез остается экспериментальным проектом, который требует серьезных научных исследований и анализа практического применения. Впервые искусственный метод фотосинтеза был смоделирован специально для производства возобновляемой энергии лишь несколько лет назад.

Полностью искусственный фотосинтез является сложным процессом, который требует использования дорогих и токсичных катализаторов. Однако ученые стремятся к применению более доступных материалов или некому «комбинированному» фотосинтезу, при котором применяются ферменты природного происхождения.
В частности, в Кембридже использовали фермент гидрогеназа — фермент водорослей, который в сочетании с синтетическими пигментами заставляет солнечный свет расщеплять воду на водород и кислород.

Топливное ассорти

Искусственный фотосинтез может одновременно решить две проблемы — преобразовывать углекислый газ из атмосферы, то есть бороться с глобальным потеплением, а также получать из воды водород, а затем использовать его как топливо.

В отличие от большинства методов получения альтернативной энергии искусственный фотосинтез может дать несколько видов топлива. Жидкий водород можно использовать как моторное топливо для транспорта и направлять в систему топливных элементов для выработки электричества путем химической реакции объединения водорода и кислорода в воду. Кроме того, можно получать метанол: фотоэлектрохимический элемент может генерировать метанольное топливо. Метанол добавляют в бензин или используют отдельно для автотранспорта и небольших котельных.

Способность производить чистое топливо без образования каких-либо вредных побочных продуктов, делает искусственный фотосинтез идеальным источником энергии для окружающей среды. Он не требует добычи, выращивания или бурения и может быть безграничным источником энергии.


Сто деревьев на замену

Леса — легкие планеты — вырубаются по всему миру, и ученые бьются над поисками замены источников кислорода, необходимого человечеству. У естественного фотосинтеза достаточно низкая эффективность: растениям он необходим, чтобы расти и развиваться, а не заботится о климате. Поэтому естественный фотосинтез обеспечивает получение лишь 1-2% от того объема энергии, который мог бы потенциально преобразовать.
Листья с помощью энергии солнца перерабатывают двуокись углерода, которая в реакции с водой и формирует биомассу растения, а углекислый газ и вода превращаются в глюкозу и кислород.

Между тем, английские ученые разработали синтетические листы, способные выполнять функции фотосинтеза. Листы используют хлоропласты из обычных растений, помещенные в белковую среду. Эти «листья» позволяют получить кислород в городских условиях.
Два года назад имперский колледж Лондона объявил о создании первого проекта со стартапом Arborea по выращиванию искусственных «листьев» — BioSolar Leaf. В рамках проекта создаются структуры для зданий или открытого пространства, похожие на солнечные панели, в которых размещаются микроскопические растения. Растения в процессе естественного фотосинтеза поглощают свет и углекислый газ и очищают воздух от парниковых газов. Площадь этих структур равна площади одного дерева, при этом они удаляют столько же двуокиси углерода, сколько 100 деревьев. Панели можно устанавливать прямо на поверхности домов.

Ученые Кембриджского университета создали прототип так называемых «фотолистов», работающих за счет искусственного фотосинтеза. Устройство использует CO2, воду и солнечный свет для производства кислорода и муравьиной кислоты, которая может быть использована напрямую или преобразована в водород.

Взаимодействие и окисление в «фотолисте» происходят, когда солнечный свет попадает на лист в воде, при этом катализатор создан на основе кобальта. Лист полностью автономный и практически не производит никаких побочных продуктов. Размер прототипа — всего 20 квадратных сантиметров, однако изобретатели готовы масштабировать его и уверяют, что смогут обойтись при этом без огромных затрат. Листы можно производить примерно в тех же масштабах, в которых сейчас выпускаются солнечные панели.

Топливо из солнечного света

Ученые из Национальной лаборатории в Беркли в США разработали систему искусственного фотосинтеза из наноразмерных трубок для получения топлива. «Солнечная топливная плитка» содержит миллиарды наноразмерных трубок, каждая из которых изнутри содержит слой из оксида кобальта, средний слой из диоксида кремния и внешний слой из диоксида титана. Энергия солнечного света расщепляет молекулы воды, образуя свободные протоны и кислород. Протоны объединяются с диоксидом углерода и образуют монооксид углерода, то есть топливо. При этом система имитирует живые фотосинтетические клетки внутри хлоропласта.

Профессор энергетики и химии Калифорнийского университета в Беркли Ян Пэйдун получил ежегодную премию «Глобальная энергия» за изобретение солнечных элементов на основе наночастиц и искусственного фотосинтеза. Созданная учеными технология позволяет получать кислород и органические соединения из солнечного света, углекислого газа и воды.

Устройство представляет собой гибридную систему – «лес» из нанопроволоки на основе кремния и бактерий, который улавливает солнечные фотоны, расщепляет молекулы углекислого газа и производит питательные вещества. Бактерии могут размножаться, что позволяет решить проблему обеспечения покорителей планет в будущем. Так как атмосфера, например, Марса, почти полностью состоит из углекислого газа, в первую очередь такой биогенератор был бы необходим для освоения «красной планеты», однако устройство будет полезно и на Земле, уверен Пэйдун. Устройство позволило бы обеспечить людей не только кислородом, но и топливом.

НАСА планирует представить прототипы таких устройств, которые смогут вырабатывать 40 Квт, к 2023 году для обеспечения энергией человека в космосе.

Если энергия, произведенная солнечными панелями, должна где-то храниться, то искусственный фотосинтез решает эту проблему, преобразуя солнечную энергию в химическую и сохраняя ее в химических связях.
Несомненно, технологии искусственного фотосинтеза имеют огромное значение для повышения энергобезопасности любых стран.

Например, одна из альтернатив естественному фотосинтезу — специальный «брезент» с солнечными элементами, который можно развернуть где угодно, а затем, после поглощения им воды и света, поместить в резервуар с катализаторами для преобразования CO2 в химическое топливо, которое можно хранить или использовать немедленно.

Поделиться:

Поделиться в facebook
Facebook
Поделиться в telegram
Telegram
Поделиться в email
Email
Поделиться в twitter
Twitter
Поделиться в vk
VK
Поделиться в odnoklassniki
OK
Поделиться в reddit
Reddit

Добавить комментарий

Ваш электронный адрес не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

В 2021 году Индия опередила Китай по приросту импорта нефти

За первые девять месяцев 2021 г. Индия увеличила морской импорт нефти на 3% (до 148,4 млн т), а угля – на 7% (до 142,4 млн т) в годовом выражении, тогда как Китай сократил его на 8% (до 340,3 млн т) и 7% (до 192,1 млн т) соответственно, следует из данных Refinitiv.

далее ...

Архивы


Октябрь 2020
Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс
 1234
567891011
12131415161718
19202122232425
262728293031