Fotosintesis: mekanisme asas untuk kehidupan di planet ini, momok pelajar biologi GCSE, dan sekarang cara yang berpotensi untuk memerangi perubahan iklim. Para saintis bekerja keras untuk mengembangkan kaedah buatan yang meniru bagaimana tumbuhan menggunakan cahaya matahari untuk mengubah CO2 dan air menjadi sesuatu yang dapat kita gunakan sebagai bahan bakar. Sekiranya berjaya, ini akan menjadi senario win-win bagi kita: bukan sahaja kita akan mendapat manfaat daripada tenaga boleh diperbaharui yang dihasilkan dengan cara ini, tetapi juga dapat menjadi cara penting untuk mengurangkan tahap CO2 di atmosfera.
Walau bagaimanapun, tanaman memerlukan berbilion tahun untuk mengembangkan fotosintesis, dan tidak selalu mudah untuk meniru apa yang berlaku di alam semula jadi. Pada masa ini, langkah-langkah asas dalam fotosintesis buatan berfungsi, tetapi tidak begitu berkesan. Berita baiknya adalah bahawa penyelidikan dalam bidang ini semakin meningkat dan ada kumpulan di seluruh dunia membuat langkah-langkah untuk memanfaatkan proses integral ini.
Fotosintesis dua langkah
Fotosintesis bukan sekadar menangkap cahaya matahari. Kadal yang mandi di bawah sinar matahari yang terik boleh melakukannya. Fotosintesis berkembang di tumbuhan sebagai cara untuk menangkap dan menyimpan tenaga ini (bit foto) dan mengubahnya menjadi karbohidrat (bit sintesis). Tumbuhan menggunakan serangkaian protein dan enzim yang digerakkan oleh sinar matahari untuk melepaskan elektron, yang pada gilirannya digunakan untuk mengubah CO2 menjadi karbohidrat kompleks. Pada dasarnya, fotosintesis buatan mengikuti langkah yang sama.
Lihat tiang Lampu yang berkaitan di London diubah menjadi titik pengecasan Tenaga suria di UK: Bagaimana tenaga suria berfungsi dan apa kelebihannya?
Dalam fotosintesis semula jadi, yang merupakan sebahagian daripada kitaran karbon semula jadi, kita mempunyai cahaya, CO2 dan air masuk ke kilang dan kilang itu menghasilkan gula, jelas Phil De Luna, calon PhD yang bekerja di Jabatan Kejuruteraan Elektrik dan Komputer di Universiti dari Toronto. Dalam fotosintesis buatan, kami menggunakan alat dan bahan bukan organik. Bahagian penuaian solar yang sebenarnya dilakukan oleh sel suria dan bahagian penukaran tenaga dilakukan oleh pemangkin elektrokimia [reaksi di hadapan].
Apa yang benar-benar menarik dengan proses ini adalah kemampuan menghasilkan bahan bakar untuk simpanan tenaga jangka panjang. Ini jauh lebih banyak daripada apa yang dapat dilakukan oleh sumber tenaga boleh diperbaharui semasa, walaupun dengan teknologi bateri yang baru muncul. Sekiranya matahari tidak keluar atau jika hari tidak berangin, misalnya, panel solar dan ladang angin berhenti menghasilkan. Untuk penyimpanan dan penyimpanan bermusim yang berpanjangan dalam bahan bakar kompleks, kita memerlukan penyelesaian yang lebih baik, kata De Luna. Bateri sangat bagus untuk hari ke hari, untuk telefon dan juga untuk kereta, tetapi kami tidak akan pernah menggunakan [Boeing] 747 dengan bateri.
Cabaran untuk diselesaikan
Semasa membuat sel suria - langkah pertama dalam proses fotosintesis buatan - kita sudah mempunyai teknologi: sistem tenaga suria. Walau bagaimanapun, panel fotovoltaik semasa, yang biasanya berasaskan sistem semikonduktor, agak mahal dan tidak efisien berbanding dengan alam semula jadi. Teknologi baru diperlukan; satu yang membazirkan tenaga yang jauh lebih sedikit.
Gary Hastings dan pasukannya dari Universiti Negeri Georgia, Atlanta , mungkin tersandung pada titik awal ketika melihat proses asal pada tanaman. Dalam fotosintesis, titik penting melibatkan bergerak elektron pada jarak tertentu di dalam sel. Dalam istilah yang sangat mudah, pergerakan ini disebabkan oleh cahaya matahari yang kemudiannya ditukar menjadi tenaga. Hastings menunjukkan bahawa prosesnya sangat efisien kerana elektron ini tidak dapat kembali ke kedudukan asalnya: Sekiranya elektron kembali ke tempat asal, maka tenaga suria akan hilang. Walaupun kemungkinan ini jarang berlaku pada tanaman, ia berlaku dengan kerap pada panel solar, yang menjelaskan mengapa ia kurang cekap daripada yang sebenarnya.
Hastings percaya bahawa penyelidikan ini cenderung untuk memajukan teknologi sel suria yang berkaitan dengan pengeluaran bahan kimia atau bahan bakar, tetapi dia cepat menunjukkan bahawa ini hanya idea pada masa ini dan kemajuan ini tidak mungkin akan terjadi dalam waktu dekat. Dari segi fabrikasi teknologi sel solar buatan sepenuhnya yang direka berdasarkan idea-idea ini, saya percaya bahawa teknologi akan semakin jauh di masa depan, kemungkinan tidak dalam lima tahun ke depan bahkan untuk prototaip.
Satu masalah penyelidik percaya bahawa kita hampir dapat menyelesaikannya melibatkan langkah kedua dalam proses: menukar CO2 menjadi bahan bakar. Oleh kerana molekul ini sangat stabil dan memerlukan banyak tenaga untuk memecahkannya, sistem buatan menggunakan pemangkin untuk menurunkan tenaga yang diperlukan dan membantu mempercepat tindak balas. Walau bagaimanapun, pendekatan ini membawa masalahnya sendiri. Terdapat banyak percubaan selama sepuluh tahun terakhir, dengan pemangkin yang terbuat dari mangan, titanium dan kobalt, tetapi penggunaan yang berpanjangan telah membuktikan dirinya menjadi masalah. Teorinya mungkin kelihatan baik, tetapi mereka berhenti bekerja setelah beberapa jam, menjadi tidak stabil, lambat atau mencetuskan reaksi kimia lain yang boleh merosakkan sel.
Tetapi kerjasama antara penyelidik Kanada dan China sepertinya telah berjaya . Mereka menemukan cara untuk menggabungkan nikel, besi, kobalt dan fosfor untuk bekerja dalam pH neutral, yang menjadikan sistem berjalan lebih mudah. Oleh kerana pemangkin kita dapat berfungsi dengan baik dalam elektrolit pH neutral, yang diperlukan untuk pengurangan CO2, kita dapat menjalankan elektrolisis pengurangan CO2 dalam sistem bebas membran, dan oleh itu voltan dapat diturunkan, kata Bo Zhang, dari Jabatan Sains Makromolekul di Universiti Fudan, China. Dengan penukaran kuasa elektrik-ke-kimia 64% yang mengagumkan, pasukan kini menjadi pemegang rekod dengan kecekapan tertinggi untuk sistem fotosintesis buatan.
bagaimana untuk sembang tanpa mereka sedari
Masalah terbesar dengan apa yang kita ada sekarang adalah skala
Atas usaha mereka, pasukan mara ke separuh akhir di NRG COSIA Carbon XPRIZE, yang dapat memenangkan $ 20 juta untuk penyelidikan mereka. Tujuannya adalah untuk mengembangkan teknologi terobosan yang akan mengubah pelepasan CO2 dari loji janakuasa dan kemudahan industri menjadi produk berharga dan dengan sistem fotosintesis buatan mereka yang lebih baik, mereka memiliki peluang yang baik.
Cabaran seterusnya adalah meningkat. Masalah terbesar dengan apa yang kita ada sekarang adalah skala. Ketika kita meningkat, kita akhirnya kehilangan kecekapan, kata De Luna, yang juga terlibat dalam kajian Zhang. Nasib baik, penyelidik belum menghabiskan senarai penambahbaikan mereka, dan sekarang berusaha menjadikan pemangkin lebih cekap melalui komposisi dan konfigurasi yang berbeza.
Menang di dua bahagian
Masih ada ruang untuk penambahbaikan dalam jangka pendek dan jangka panjang, tetapi banyak yang berpendapat bahwa fotosintesis artifisial berpotensi menjadi alat penting sebagai teknologi yang bersih dan lestari untuk masa depan.
Ia sangat menggembirakan kerana bidang ini bergerak dengan pantas. Dari segi pengkomersialan, kami berada di titik tolak, kata De Luna, sambil menambahkan bahawa, sama ada ia berfungsi akan bergantung pada banyak faktor, termasuk kebijakan awam dan penerapan oleh industri untuk menerima teknologi tenaga boleh diperbaharui.
Mendapatkan sains dengan betul hanyalah langkah pertama. Setelah penyelidikan oleh orang-orang seperti Hastings dan Zhang akan menjadi langkah penting untuk menyerap fotosintesis buatan ke dalam strategi global kami mengenai tenaga boleh diperbaharui. Taruhannya tinggi. Sekiranya berjaya, kita akan menang dalam dua bidang - bukan sahaja menghasilkan bahan bakar dan produk kimia, tetapi juga mengurangkan jejak karbon kita dalam prosesnya.
