Високата ефективност на естественото е определен еталон в развитието на индустрията за слънчева енергия. Сега обаче този естествен пример за висока производителност може да е остарял.
За първи път учените успяха ефективно да комбинират химическата електролиза с активността на бактериите. Системата произвежда алкохол и други вещества буквално "от нищото"
Изследователи от Харвардския университет създадоха бионична система, която химически преобразува и съхранява слънчевата енергия, използвайки хибриден механизъм от неорганични материали и живи микроорганизми. Такава схема помага за решаването на два проблема наведнъж: 1) консервация, която се произвежда в излишък през дневните часове и която не е достатъчна вечер; 2) елиминиране на излишния CO2 от атмосферата.
Наречено Bionic leaf 2.0, устройството се основава на предишна версия на листа, разработена от същия екип учени. Системата за генериране на енергия се състои от слънчев панел, притиснат между листове кобалтов катализатор и клетка с бактерия Ralstonia eutropha, заемаща долната половина на листа. Когато се потапя в съд с вода при стайна температура и нормално налягане, изкуственото листо имитира фотосинтеза. Токът от слънчевите плочи Bionic leaf 2.0 се подава към катализатори, които разделят водните молекули на кислород и водород. След това водородът влиза в клетките с ГМ бактерии, които се отличават с това, че могат да комбинират водородни молекули с въглерод, получен от въздуха, и да ги превръщат в течно гориво.
Полученият водород вече може да се използва като гориво, но учените решават да усложнят системата, за да я направят по-ефективна. Следващата стъпка е Ralstonia eutropha, която се храни с водород и CO2 от атмосферата. Благодарение на тези хранителни вещества бактериалната колония активно се увеличава по размер. Сред отпадните продукти на микроорганизмите са различни полезни химикали. Учените експериментираха с генетични модификации и разработиха бактерии, които произвеждат различни видове алкохол (C3 и C4+C5 на диаграмите) и пластмасови прекурсори (PHB на диаграмите).
„За тази работа разработихме нов катализатор, базиран на кобалт и фосфор, който не произвежда реактивни кислородни видове. Това ни позволи да намалим стреса, което доведе до рязко повишаване на ефективността “, коментира един от авторите на работата.
Учените от десетилетия се опитват да отглеждат бактерии върху електроди, за да ги принудят да участват в химическа верига от реакции, но в този процес постоянно възникват различни проблеми, които пречат да се създаде наистина ефективна система.
Основен сред тези проблеми са извличането на тежки метали от електродите, както и появата на кислород в активна форма. И двата процеса потискат живота на щастливите, здрави бактерии. Важно откритие на химиците от Харвард е използването на система за електролиза с катод и анод на базата на кобалт. По същество катодът и анодът произвеждат синергичен ефект, представлявайки система за самолечение. Ако единият се разгради, вторият го снабдява с вещества и обратно.
„Мисля, че всъщност е доста вълнуващо изследване“, коментираха колегите Йоханес Лишнер от Imperial College London. „Превръщането на слънчевата светлина в химически горива с висока ефективност е нещо от Светия Граал за възобновяемата енергия.“
Според независими експерти, които не са свързани с това изследване, научната работа е наистина революционна. За първи път в историята учените успяха да съчетаят химическата електролиза с активността на бактериите с висока ефективност на преобразуване и запазване на енергията. Работата в тази посока се извършва от 60-те години на миналия век.
Ако комбинирате тази система с конвенционални слънчеви клетки, тогава ефективността на възстановяването на CO2 ще бъде около 10% - това е по-високо, отколкото при естествената фотосинтеза!
Учените очакват тяхната ефективна електролизна система за преобразуване на енергия в течни горива ще намери приложение предимно в развиващите се страни, където няма развита електрическа инфраструктура за разпределение и съхранение на електроенергия, генерирана от слънчеви панели през деня.
Естествени праноиди, Акинфеев срещу фотосистема-1, хипи бактерии и бактерии в доспехи, псевдокуби, изкуствени листа и дървета, раси на растения и учени, биологията като най-големия химик в света и фотосинтезата такава, каквато е – в подробен преглед на сайта.
Запасите от петрол не са вечни и вече писахме за алтернативни начини за получаване на въглеводороди. Отделно в списъка на тези методи е изкуствената фотосинтеза - производството на органично гориво от въглероден диоксид с помощта на слънчева енергия.
Естествен праноедем
Навсякъде сме заобиколени от истински пранои, независимо какво казват здравият разум и лекарите. Основната им храна са водата и въздухът, солта на земята и, разбира се, енергията на космоса. Слънчев лъч, малко вещества от почвата, въглероден диоксид - и се чувстват страхотно. Всеки от вас е виждал такива и не един. Може би праноите са точно до вас в момента - стоят в саксия на перваза на прозореца или чукат на прозореца с клон.
Лесно е да се досетите, че говорим за растения. Те (както и някои бактерии) успяват да получат органична материя, въглехидратна глюкоза (C₆H₁₂O₆) и енергия чрез фотосинтеза от вода (H₂O), въглероден диоксид (CO₂) и количество слънчева светлина. Ако познавате този процес в детайли, можете да пропуснете тази и следващата глава и да продължите да описвате постиженията на науката в областта на изкуствената фотосинтеза, а ако не, е време да разберете.
Най-често фотосинтезата протича в хлоропластите. Въпреки че, ако сте бактерия и ги нямате, не всичко е загубено (въпреки че в този случай фотосинтезата за вас може да е аноксична, така че Грийнпийс няма да ви похвали). Хлоропластите са "енергийните централи" на растителната клетка, заобиколени от двуслойна мембрана-обвивка. Учените смятат, че произлизат от цианобактерии, които са били погълнати от някаква древна клетка с ядро, но не са се разделили, а са влезли в симбиоза с тях. Вътре в хлоропластите има купчини плоски мембранни торбички, наречени тилакоиди (самата дума идва от гръцкото thylakos - "торбичка"). Тези купчини се наричат грана (на латински "купчина монети") и са свързани помежду си с по-дълги тилакоиди - ламели.
Хлоропласти при 40x увеличение
Wikimedia Commons
В тилакоидните мембрани са вградени специални пигменти – няколко вида хлорофили, които са зелени на цвят, тъй като отразяват зелената светлина, и поглъщат синьо-виолетово и червено. „Главата” на молекулата на хлорофила съдържа магнезиев атом и е обърната към водната среда, докато „опашката”, напротив, е хидрофобна („страхува се” от вода) и задържа молекулата в мембраната. Хлорофилите са организирани във фотосистеми от тип I или II, които се различават по предпочитания към светлина с определен спектър и дължина на вълната (оптимумът на втората система е изместен към по-червена област и е 700 nm, а първата е 680 nm). В центъра на всяка фотосистема е молекула хлорофил. а, към който преминават останалите молекули на хлорофила във фотосистемата, наречени антени, като добър нападател - светлинните кванти, които са уловили.
Хлорофилът е по-ефективен от Акинфеев, но това не е достатъчно
Първата фаза на фотосинтезата протича в светлината, затова се нарича светлина. Квантите на светлината възбуждат хлорофилни електрони, които поради това напускат молекулата и „бягат“ към външната страна на тилакоидната мембрана. Тъй като електроните имат отрицателен заряд, мястото, където се натрупват, става отрицателно заредено. Без електрони хлорофилите не се отегчават дълго време - те ги отнемат от водата, която поради това се разлага на OH⁻ и H⁺ (протони, положително заредени частици), а след това на водород и вода. В резултат на това се освобождава кислород и протоните се натрупват вътре в тилакоидите.
Както помним, тилакоидите са отрицателно заредени отвън поради електрони, а положителните и отрицателните заряди се привличат. За да се свържат с желаните електрони, H⁺ протоните трябва да преминат през протеинов канал в мембраната, наречен АТФ синтаза. Падайки върху него, те сякаш въртят турбина, помагайки на ATP синтазата да оправдае името си и от ADP (аденозин дифосфорна киселина) да синтезира ATP (аденозин трифосфорна киселина), основната форма на съхранение на енергия в клетката, която, когато фосфатите са отцепен от него (има три, следователно АТФ се нарича) освобождава много енергия. Тогава водородните атоми, които най-накрая са се свързали с електроните, се поемат от специален носител, който се съкращава като NADP (в пълната версия - никотинамид аденин динуклеотид фосфат, но в повечето случаи запомнянето на тази дума може да е полезно само за да потопи в страхопочитание особено впечатляващи познати).
В тъмната фаза, която може да се случи дори без участието на светлината, въглеродният диоксид се превръща в глюкоза и други органични вещества. Първо, CO₂ се фиксира от петвъглеродна захар (рибулоза бифосфат) чрез действието на ензим (рибулоза бифосфат карбоксилаза), образувайки нестабилно съединение с шест въглерода. Той незабавно се разпада на две молекули фосфоглицеринова киселина, съдържащи три молекули въглерод. Следва цикъл от реакции, наречен цикъл на Калвин, по време на който се използват АТФ и NADP*H2, натрупани в светлата фаза.
Защо тази дълга история? Във всяка от тези фази възникват големи загуби на енергия, което значително намалява ефективността на естествената фотосинтеза като процес. При поглъщане на енергията на фотоните (като се има предвид, че не всички фотони се улавят и само част от светлинния поток преминава през фотосинтетичните части на листа), около 63% от енергията се губи. Това не е толкова малко. Можете да продължите аналогията между работата на фотосистемите и играта на футбол, наричайки хлорофил авратарят на квантите (между другото, в Русия има дори аматьорски футболен клуб със същото име - в научния град Обнинск). Ако направим изчисленията много грубо, за да намалим вероятността от голове до един на мач, хлорофилът все пак улавя фотони с 22,2% по-добре от руския вратар Игор Акинфеев - топки.
Част от енергията на фотоните (светлинните кванти) се губи поради принципа на кервана, когато високоенергийните фотони се поглъщат заедно с нискоенергийните. 9% от общата енергия се губи при синтеза на глюкоза, след това още 3% се изразходват за почистване на листа от страничните продукти на фотосинтезата.
Кълнове на зелени технологии
Учените търсят начини да получат системи, които биха били по-продуктивни от растенията, за да получат правилното гориво (и дори не изискват промени в инфраструктурата за зареждане с гориво и фундаментално преструктуриране на автомобилната индустрия), от които индустрията ще се възползва околната среда чрез преработка на въглеродния диоксид, натрупан в атмосферата.
Технологиите, които позволяват да се синтезира гориво от въглероден диоксид без намесата на живи организми, често се основават на рутениев катализатор, който беше открит през 2014 г. Този катализатор позволява синтеза на метан (CH₄; най-важният компонент на природния газ) от водород (H₂) и въглероден диоксид (CO₂), но скоростта на синтез е само един милимол метан на грам катализатор на час. Това лято химиците от Базел дори предложиха вмъкване на атоми на рутений в сложни супрамолекулни структури, които да „се грижат“ за ценния катализатор и да го поправят от пълно унищожаване, но ефективността на катализатора все още оставя много да се желае.
Друг начин е използването на естествени протеинови пигменти от фотосистема I в слънчеви батерии. В клетката тези протеини, както вече писахме, се намират в липидната мембрана. Помага на фотосистемата, която "поддържам" и действа като "изолация". Предлага се тази мембрана да се замени с пептид - къса верига от шест аланинови аминокиселини и една лизинова аминокиселина. За подобряване на поглъщането на светлината на такава батерия помагат нанопокритията - редици пръчки от цинков оксид или гъбести структури от титанов оксид. Тези технологии обаче все още не са достигнали нивото, при което търговското производство става възможно. Освен това те помагат за генериране на електроенергия, а не на гориво, което е по-малко ефективно и ще изисква трансформация на цялата инфраструктура, ако изведнъж искаме да преминем към електрически превозни средства.
Ето защо сега учените са все по-склонни към хибридни технологии, които използват живи едноклетъчни организми (странно е, обикновено нефотосинтетични, но способни да фиксират CO₂), за да синтезират органични съединения, които могат лесно да бъдат преработени в гориво.
Продължете да четете рецензията
Неконтролираното потребление на изкопаеми ресурси доведе света до ръба на екологична и енергийна криза. В такава ситуация е необходим принципно различен източник на енергия, който, от една страна, би се вписал в нашия петролен свят, а от друга, би бил възобновяем, екологичен и икономически изгоден. Възможно решение е изкуствената фотосинтеза (IF), благодарение на която вече са се родили създадени от човека инсталации за синтез на органична материя от електричество, светлина, както и удивителни полупроводникови фотосинтезиращи бронебактерии.
Глобалната енергийна криза или защо е необходима изкуствена фотосинтеза
Днес вече голямото население на планетата се увеличава с 1% годишно. Човечеството задоволява енергийните нужди, нарастващи всяка година, предимно за сметка на изкопаемите ресурси. Но вече не е тайна за никого, че запасите от петрол и въглища са ограничени и в повечето случаи не подлежат на възобновяване. Когато обемите им вече не отговарят на глобалния темп на развитие (или дори се изразходват), светът ще бъде изправен пред енергийна криза с безпрецедентни размери.
Вече може да се наблюдава ожесточена борба, разгърната на световната сцена за големи източници на изкопаеми горива. В бъдеще горивото ще бъде все по-малко, а конфликтите на интереси ще се появяват все по-често.
През последните два века човечеството е заслепено от наличието на изкопаеми горива и е разработило много технологии, базирани на тях, без които животът е просто немислим днес. Първо имаше въглища и парни локомотиви, след това хората се научиха да получават електричество чрез изгаряне на същите въглища, да произвеждат газови печки, частен и обществен транспорт - всичко това изисква консумацията на органична материя, съхранявана преди милиони години. Използвайки енергията на тези вещества, човечеството направи скок в много области на обществения живот: световното население е надхвърлило 7 милиарда, процъфтяващи градове и държави са се появили в пустините, производствените мощности и нивата на потребление се увеличават от година на година. Без съмнение съвременният свят е немислим без въглища, петролни продукти и газ.
Тук се появява дилемата на съвременната енергетика: от една страна, необходимостта от преминаване към възобновяеми енергийни източници е абсолютно очевидна, от друга страна, светът не е пригоден за потребление на такава енергия. Въпреки това, през последното десетилетие се наблюдава все по-голямо развитие на енергиен източник, който би могъл да разреши тази дилема. ние говорим за изкуствена фотосинтеза (IF)- начин за преобразуване на енергията на слънцето в удобна форма на органично гориво.
Не трябва да забравяме, че изгарянето на гориво води до масивни емисии на CO 2 в атмосферата, което се отразява негативно на състоянието на цялата биосфера. В големите градове това влияние е особено забележимо: хиляди димящи автомобили и предприятия образуват смог и всеки гражданин, излязъл от града, преди всичко се възхищава на чистия въздух. Създаването на енергиен източник, който, подобно на растенията, да абсорбира CO 2 и да произвежда O 2, би могло да спре разграждането на околната среда, протичащо с пълна скорост.
По този начин IF е потенциално решение както на глобалната енергийна, така и на екологичната криза. Но как работи IF и как се различава от естествения?
Несъвършена зеленина
Фигура 2. Нециклична фотосинтеза в растенията.Електронът напуска възбудения от светлина хлорофил на фотосистема II (PS-II) и получената „дупка“ се запълва с електрони, освободени по време на разделянето на водата. Крайният електронен приемник не е фотосистемен пигмент, както при лилавите бактерии, а NADP +. Друга разлика е, че в растенията две фотосистеми (FS-I и PS-II) образуват конюгиран механизъм и за един цикъл на неговата работа е необходимо поглъщане на два фотона. Фигурата не показва комплекса b 6 f.
Полученият H+ градиент осигурява енергия за синтеза на АТФ чрез ензима ATP синтаза, подобно на това как падащата вода става източник на енергия за водна мелница (фиг. 3). АТФ е универсален носител на химическа енергия в клетката и участва в по-голямата част от енергоемките реакции, включително реакциите на цикъла на Калвин, които осигуряват превръщането на CO 2 в редуцирана органична материя. В този цикъл по-голямата част от енергията се изразходва за борба със страничните реакции. Има и други начини за усвояване на въглерода - например пътят Ууд-Люнгдал, за който ще бъде написано по-късно.
Фигура 3. Съхранение на светлинна енергия.По време на фотосинтезата протеините на фотосистемата пренасят протони през мембраната за сметка на фотонната енергия. Ензимът АТФ синтаза изхвърля получения градиент на концентрация на Н + и произвежда универсалния енергиен носител в клетката - АТФ. Аналогията с въртящата се водна мелница всъщност е много близка до реалността.
Въпреки че фотосинтезата в крайна сметка осигурява цялата биосфера с енергия, ефективността на този процес оставя много да се желае (Таблица 1). Рекордьорът по фотосинтезата е сорго, отглеждано за производство на биогориво, което има ефективност на преобразуване на слънчева енергия в химическа енергия от 6,6%. За сравнение: картофите, пшеницата и ориза имат около 4%.
| Причина за загуба на енергия | Загуба на енергия | Остатък |
|---|---|---|
| Поглъщане на фотони само във видимата част на спектъра | 47% | 53% |
| Само част от светлинния поток преминава през фотосинтетичните части на листа | 70% | 37% |
| Въпреки че във видимата светлина има високо- и нискоенергийни фотони, всички те се абсорбират от фотосистемите като нискоенергийни (един вид принцип на караваната) | 24% | 28% |
| Загуби при синтеза на глюкоза | 68% | 9% |
| Почистване на листата от страничните продукти на фотосинтезата ( см.фотодишане) | 32% | 6% |
В същото време типичната ефективност за съвременните слънчеви батерии е 15-20%, а прототипите са достигнали стойност от 46%. Такава разлика в ефективността на изкуствените фотоклетки и живите растения се обяснява преди всичко с липсата на етапи на синтез. Но има по-фина разлика: растителните фотосистеми извличат енергия само от фотони на видима светлина с дължини на вълната 400–700 nm, а изходът от високоенергийни фотони е точно същият като от нискоенергийните. Полупроводниците, използвани в слънчевите клетки, улавят фотони с по-широк спектър. А за максимална мощност материалите, предназначени специално за различни части от спектъра на слънчевата светлина, се комбинират в една батерия.
Крайната цел на инженерите на IF е да създадат инсталация (или изкуствен организъм), която да извършва фотосинтеза по-добре от растенията. Днес биоинженерната мисъл е достигнала ниво, при което човек може да се опита да направи това. И от година на година опитите на учените се приближават все по-близо до заветната цел, което ни кара да се удивляваме на невероятни открития.
Толкова различно АКО
Най-простата IF схема е напълно абиотичен синтез на органични вещества върху катализатор. През 2014 г. беше открит рутениев катализатор, който синтезира метан от H 2 и CO 2 при осветяване. При оптимални условия, включващи нагряване до 150 ° C и интензивно осветление, един грам от този катализатор създава един милимол метан на час, което, разбира се, е много малко. Самите учени, които изучават катализатора, признават, че такава скорост на реакция при доста висока цена на катализатора е твърде ниска за практическото му приложение.
Истинската фотосинтеза е многоетапен процес, на всеки етап от който има загуба на енергия. Отчасти това дори е добре, защото отваря много място за оптимизация. В случай на абиогенна фотосинтеза, всичко, което може да се направи, е да се измисли принципно нов катализатор.
Съвсем различен подход към IF - създаване на биореактори, захранвани от слънчева енергия. В такива биореактори, колкото и да е странно, те използват нефотосинтетични микроорганизми, които все още могат да фиксират CO 2 с помощта на други енергийни източници.
Нека се запознаем с няколко вида дизайни на устройства за IF, използвайки конкретни примери.
През 2014 г. бяха публикувани резултатите от тестовете на инсталация, която преобразува тока в биомаса с рекордна ефективност от 13%. За да получите IF-реактор, достатъчно е да свържете слънчева батерия. Тази настройка е по същество електрохимична клетка (фиг. 4 а), където два електрода се поставят в хранителна среда с бактерии Ralstonia eutropha(те са - Cupriavidus necator). Когато се приложи външен ток, катализаторът на анода разделя водата на кислород и протони, а катализаторът на катода редуцира протоните до водороден газ. R. eutrophaполучава енергия за асимилация на CO 2 в цикъла на Калвин поради окисляването на H 2 от ензима хидрогеназа.
Фигура 4. Биореактори за IF на базата на електрохимични клетки.Токът може да се генерира чрез фотолиза на вода на анода с помощта на слънчева батерия (а) или без него (б) . И в двата случая електроните, взети от водата, осигуряват на автотрофните микроби еквиваленти за възстановяване, необходими за фиксиране на CO 2 .
Според изчисленията на разработчиците, комбинирането на тяхната инсталация с типична слънчева батерия (18% ефективност) ще доведе до обща ефективност на фотосинтезата от 2,5%, ако цялата светлинна енергия се преобразува в растеж на биомаса, и 0,7% ако генетично модифицирани бактерии, синтезиращи бутанол са използвани. Този резултат е сравним с ефективността на фотосинтезата при реални растения, въпреки че не достига нивото на културните растения. Способност R. eutrophaСинтезирането на органични вещества в присъствието на H 2 е много интересно не само в контекста на IP, но и като възможно приложение на водородна енергия.
През 2015 г. учени от Калифорния създадоха също толкова интересна инсталация, където етапите на поглъщане и синтез на светлина са по-тясно свързани. Фотоанодът на конструирания реактор, когато е осветен, разделя водата на кислород, протони и електрони, които се изпращат по проводника към катода (фиг. 4 б). За да се увеличи скоростта на фотолиза на водата на интерфейса, фотоанодът е направен от силициеви нанопроводници, които умножават повърхността му.
Катодът на тази настройка се състои от „гора“ от TiO2 нанопръчки (фиг. 5 а), сред които растат бактерии Sporomus ovata. Електроните от фотоанода отиват точно към тези бактерии, които ги използват като редуциращи еквиваленти за превръщането на CO2, разтворен в средата, в ацетат.
Фигура 5. Изкуствената фотосинтеза е немислима без наноматериали. а - В IF-реактора от артикула CO 2 фиксирани бактерии, растящи в "наногората" от силициеви пръчки, покрити с TiO 2 (слой 30 nm); това наноскеле създава анаеробните условия, необходими за бактериите и увеличава повърхностната плътност на контактите между бактериите и проводника. б - При принципно различен подход не се поставят бактерии върху полупроводник, а полупроводник се поставя върху бактерии; благодарение на обвивката на CdS, бактериите, умиращи на светлината, стават фотосинтетични.
TiO 2 nanoscaffold изпълнява няколко функции наведнъж: осигурява висока плътност на бактериите при контакта, защитава задължителните анаеробни С.оватаот кислород, разтворен в околната среда и може също да преобразува светлината в електричество, като помага на бактериите да фиксират CO 2.
С.овата- бактерии с много гъвкав метаболизъм, който лесно се адаптира към растежа в така наречения електротрофен режим. Те фиксират CO 2 по пътя Wood-Ljungdal, при който само 10% от ацетата отива за растеж на биомасата, а останалите 90% се отделят в околната среда.
Но сам по себе си ацетатът е с малка стойност. Да го превърне в по-сложни и скъпи вещества, генетично модифицирани Ешерихия колисинтезиране на бутанол, изопреноиди или полихидроксибутират от ацетат. Последна субстанция Е. coliпроизвежда с най-висок добив.
Що се отнася до ефективността на цялата инсталация, тя е много ниска. Само 0,4% от слънчевата енергия може да се превърне в ацетат, а превръщането на ацетат в полихидроксибутират протича с ефективност от 50%. Общо само 0,2% от светлинната енергия може да се съхранява под формата на органична материя, която допълнително може да се използва като гориво или суровина за химическо производство. Разработчиците смятат за основно постижение, че създадената от тях настройка може да се използва за напълно различни химически синтези без фундаментални промени в дизайна. Това показва аналогия с естествената фотосинтеза, при която всички видове органични вещества в крайна сметка се синтезират от асимилацията на CO 2 3-фосфоглицерат.
И в двете описани технологии разработчиците се опитаха да съчетаят съвършенството на полупроводниците като абсорбатори на светлинна енергия с каталитичната сила на биологичните системи. И двете произтичащи инсталации бяха „обратни“ горивни клетки, където токът се използва за синтезиране на вещества.
С принципно различен подход отделните клетки се комбинират с полупроводници в едно цяло. И така, в самото начало на 2016 г. беше публикувана работа, в която бактерията-ацетоген Moorella thermoaceticaотглеждани в среда с високо съдържание на цистеин и кадмий, . В резултат на това обикновено загива на светлина M. thermoaceticaпокрита с обвивка от CdS (полупроводник) и по този начин не само получи защита от слънцето, но и се превърна в фотосинтезатор: електроните от CdS навлизат в пътя на Wood-Lyungdal (фиг. 5 б).
Експерименти върху такава "бронирана" бактерия показаха, че CO 2 се фиксира не само на светлина, но и на тъмно (в зависимост от дневния цикъл). Причината за това е натрупването на фотосинтезни метаболити в светлината в такова количество, че клетките нямат време да ги преработят. Основното предимство на такива бактерии в сравнение с клетките, описани по-горе, е самоорганизацията. За клетките, наноматериалите и катализаторите трябва да бъдат предварително изработени, а самите тези части се износват само с времето. Кога M. thermoaceticaфотосинтетичните единици разделят, произвеждат и ремонтират всичко, от което се нуждаят, ако в околната среда има достатъчно кадмий и цистеин. Тези бактерии все още не са изследвани като източник на гориво, но по отношение на квантовия добив на фотосинтезата те не са по-ниски от растенията.
Не е дълго за чакане...
IF технологиите все още са на етап прототип, но техните разработчици виждат много място за оптимизация. Възможно е да се оптимизират улавящи светлина полупроводници, микроорганизми, пространствената организация на бактериите и други катализатори. Но преди всичко е необходимо да се реши проблемът със стабилността. Ефективността на произведените инсталации пада забележимо след няколко дни работа. Напълно подготвеното IF устройство, като всяка жива система, трябва да се регенерира и да се възпроизвежда. В това отношение от особен интерес M. thermoaceticaза които тези свойства се прилагат в пълна степен.
И въпреки че съществуващите образци далеч не са съвършени, работите в областта на IF са ценни преди всичко, защото показват фундаменталната възможност за вграждане на слънчева енергия в свят, уловен от двигател с вътрешно горене. Вятърните мелници и слънчевите панели, разбира се, имат висока ефективност и вече почти напълно осигуряват консумация на енергия в Уругвай и Дания, а водноелектрическите централи са важни възли в енергийната мрежа на много страни. Но замяната на горивото с електричество в повечето случаи изисква радикално преструктуриране на енергийните мрежи и не винаги е възможно.
По-нататъшното развитие на инвестиционния фонд изисква огромни инвестиции. Може да си представим, че фирмите, произвеждащи слънчеви батерии, на които футуристите прогнозират световно господство в областта на енергетиката до 2030 г., ще се интересуват от развитието на тази все още млада и неопитна наука на пресечната точка на биоенергетиката, материалознанието и наноинженерството. Кой знае, може би IF няма да се превърне в ежедневие на бъдещето, или може би работата по него ще даде тласък на водородната енергия или биофотоволтаиците. Не е дълго да чакаме, чакаме и ще видим.
литература
- Популационните пирамиди на света от 1950 до 2100 г. (2013). PopulationPyramid.net;
- Корзинов Н. (2007).
Фотосинтезата, способността на растенията, използвайки енергията на слънчевата светлина, да окисляват водата с освобождаване на кислород, е най-важното еволюционно придобиване на природата. Учени от цял свят, включително тези от САЩ, Япония и страните от ЕС, повече от 30 години се борят да възпроизведат естествените технологии и да създадат изкуствена фотосинтеза. Досега обаче не е било възможно да се повторят постиженията на природата толкова ефективно. Основният проблем на изкуствената фотосинтеза доскоро беше скоростта на реакциите. Най-бързите методи досега позволяват да се постигнат скорости на реакция с два порядъка по-ниски от тези в естествени условия.
Онзи ден стана известно, че изследователи от Кралския технологичен институт (KTI) в Стокхолм са успели да получат молекулен катализатор, който може да окислява водата в кислород толкова бързо, колкото растенията. Резултатите от изследването са изключително важни и позволяват създаването на по-ефективни технологии за използване на слънчева и други видове възобновяема енергия.
Екип от учени, ръководен от професор Личенг Сун, създаде рекорден молекулярен катализатор. Ако естествената фотосинтеза се извършва със скорост от 100 до 400 трансформации в секунда, тогава новият катализатор достига скорост от повече от 300 трансформации в секунда.
„Това определено е световен рекорд и истински пробив в изкуствената фотосинтеза“, обясни проф. Личенг Сан.
Според професора този факт открива много нови възможности за възобновяема енергия: „Тази скорост ще позволи в бъдеще да се създаде индустриално оборудване за производство на водород в Сахара, където слънчевата светлина е в изобилие“.
Като се има предвид скачащите цени на петролните горива, използването на нов молекулен катализатор ще положи основата за много важни промени. С него слънчевата светлина може да се използва за превръщане на въглеродния диоксид в различни горива, като метанол. Могат да бъдат разработени технологии за директно преобразуване на слънчевата енергия във водород.
Личенг Сан добави, че той и колегите му работят усилено и усилено, за да направят технологията достатъчно евтина. „Убеден съм, че в рамките на едно десетилетие може да има технология, базирана на текущи изследвания, която да е достатъчно евтина, за да се конкурира с въглеродните горива“, каза той.
Личенг Сан работи в областта на изследванията на фотосинтезата в продължение на близо двадесет години, повече от половината от мандата си в Кралския технологичен институт. Въз основа на своя опит и мненията на колегите професорът смята, че ефективният катализатор за окисляване на водата е ключът към решаването на проблемите на слънчевата енергия.
Докато слънчевите панели са ограничени от теоретичните граници на тяхната ефективност, някъде има място за изкуствена фотосинтеза, отдавна забравеният брат на слънчевите панели.
Много е вероятно хората да продължат да горят течни и твърди горива, които горят, докато слънчевите панели могат да ни доставят само електричество.
През 1912 г. в Science е публикувана статия, в която професор Джакомо Чамичан пише следното: „Въглищата предлагат слънчева енергия на човечеството в нейната най-концентрирана форма, но въглищата са изчерпаеми. Дали изкопаемата слънчева енергия е единственото нещо, което съвременният живот и цивилизация могат да използват? И по-късно в тази статия той добавя:
„Стъклените сгради ще бъдат навсякъде; вътре в тях ще има фотохимични процеси, които досега са били защитена тайна на растенията, но които ще бъдат овладени от човешката индустрия, тя ще се научи как да ги накара да произвеждат още по-изобилни плодове от природата, тъй като природата не бърза да отиде никъде , а човечеството е обратното. Животът и цивилизацията ще продължат, докато грее слънцето."
Изменението на климата дава нов тласък на изследванията за изкуствена фотосинтеза. Растенията правят още нещо полезно: те улавят въглероден диоксид. Повечето климатични модели, които ни позволяват да изпълним ограничението на Парижкото споразумение (2 градуса по Целзий), изискват много биоенергия с улавяне и съхранение на въглерод. Това е технология с отрицателни емисии, при която растенията улавят въглероден диоксид, превръщат се в биогориво и след това изгарят. Въглеродът се улавя и секвестира под земята.
Изкуствената фотосинтеза може да бъде въглероден отрицателен източник на течни горива като етанол. Еколозите често се обръщат към "водородната икономика" като решение на проблема с намаляването на въглеродните емисии. Вместо да подменим цялата си инфраструктура – разчитайки на твърди и течни горива – ние просто заменяме горивото. Горива като водород или етанол могат да се произвеждат с помощта на слънчева енергия, както при изкуствената фотосинтеза, така че можем да продължим да използваме течни горива с по-малко въздействие върху околната среда. Универсалната електрификация може да бъде по-сложна от простото преминаване от бензин към етанол. Изкуствената фотосинтеза определено си струва да се изследва. И през последните години бяха направени големи крачки. Силни инвестиции от правителствени и филантропични фондации се наливат в слънчевото гориво. Проучват се няколко различни фотохимични процеса, някои от които вече имат потенциала да бъдат по-ефективни дори от растенията.
През септември 2017 г. Националната лаборатория на Лорънс Бъркли описа нов процес, който може да превърне CO2 в етанол, който след това може да се използва като гориво, и етилен, който е необходим за производството на полиетиленова пластмаса. Това беше първата демонстрация на успешното превръщане на въглеродния диоксид в гориво и пластмасови прекурсори.
Скорошна статия в Nature Catalysis обсъжда техника, при която фотоволтаичните панели са свързани към устройство, което електролизира въглеродния диоксид. След това анаеробният микроб преобразува въглеродния диоксид и водата, използвайки електрическа енергия в бутанол.
Те отбелязаха, че способността им да превръщат електричеството в желани продукти е почти 100% ефективна, а системата като цяло успява да постигне 8% ефективност при превръщането на слънчевата светлина в гориво. Може да изглежда като малък брой, но 20% са страхотни за слънчеви панели, които директно преобразуват слънчевата светлина в електричество; дори най-продуктивните растения, като захарна тръстика и просо, получават не повече от 6% ефективност. Тоест, той е сравним с биогоривата, които се използват в момента, като царевичен биоетанол, тъй като царевицата е по-малко ефективна при превръщането на слънчевата светлина в съхранявана енергия.
Други форми на изкуствена фотосинтеза се фокусират върху водорода като възможно гориво. Изследователи от Харвард наскоро разкриха впечатляваща версия на "бионично листо", което може да превърне слънчевата енергия във водород. Едно от основните му предимства е, че ефективността му нараства бързо, ако му се позволи да „диша“ с чист въглероден диоксид. Ако ще живеем в бъдеще, в което огромни количества въглероден диоксид се извличат от атмосферата, сега имаме доста добра употреба за тях. Въпреки че напоследък идеята е недоволна (термодинамиката на използването на електричество за разделяне на водата на водород и кислород не винаги е перфектна), все още се правят изследвания върху горивните клетки за автомобили и водорода за отопление на домове, особено в Япония.
Един от проблемите с всякакви усилия за изкуствена фотосинтеза е, че колкото повече стъпки имате в процеса на преобразуване, толкова повече енергия ще бъде загубена по пътя. Използването на електрифицирани уреди с енергия, генерирана директно от слънцето, ще бъде много по-ефективно от всяка схема за превръщане на електричеството и въглеродния диоксид в гориво, което след това изгаряте, за да възстановите част от вложеното електричество.
Освен това, от екологична и практическа гледна точка, изграждането на милиарди изкуствени растения може да бъде далеч по-малко осъществимо от засаждането на семена за няколко добре подбрани биогорива. От друга страна, тези растения често изискват добра почва, която бързо се влошава поради селскостопанския натиск. Вече се подозира, че биогоривата използват земя, която може да изхрани нарастващото население. Предимството на изкуствената фотосинтеза е, че можете да видите тези "растения" да виреят в пустинята или дори в океана.
Както често се случва, ние черпим вдъхновение от природата – но да я разберем, да я покорим и дори да подобрим е проблем за нас.
