Φωτοσύνθεση: θεμελιώδης μηχανισμός για τη ζωή σε αυτόν τον πλανήτη, μάστιγα των φοιτητών βιολογίας του GCSE και τώρα ένας πιθανός τρόπος για την καταπολέμηση της κλιματικής αλλαγής. Οι επιστήμονες εργάζονται σκληρά για να αναπτύξουν μια τεχνητή μέθοδο που μιμείται τον τρόπο με τον οποίο τα φυτά χρησιμοποιούν το ηλιακό φως για να μετατρέψουν το CO2 και το νερό σε κάτι που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ως καύσιμο. Εάν λειτουργήσει, θα είναι ένα σενάριο win-win για εμάς: όχι μόνο θα επωφεληθούμε από τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας που παράγεται με αυτόν τον τρόπο, αλλά θα μπορούσε επίσης να γίνει ένας σημαντικός τρόπος μείωσης των επιπέδων CO2 στην ατμόσφαιρα.
Ωστόσο, χρειάστηκαν δισεκατομμύρια χρόνια στα φυτά για να αναπτύξουν τη φωτοσύνθεση και δεν είναι πάντα εύκολο να αναπαραχθεί αυτό που συμβαίνει στη φύση. Αυτή τη στιγμή, τα βασικά βήματα στην τεχνητή φωτοσύνθεση λειτουργούν, αλλά όχι πολύ αποτελεσματικά. Τα καλά νέα είναι ότι η έρευνα σε αυτόν τον τομέα επιταχύνεται και υπάρχουν ομάδες σε όλο τον κόσμο που κάνουν βήματα προς την αξιοποίηση αυτής της ολοκληρωμένης διαδικασίας.
Φωτοσύνθεση σε δύο στάδια
Η φωτοσύνθεση δεν είναι μόνο η σύλληψη του ηλιακού φωτός. Μια σαύρα που κάνει μπάνιο στον ζεστό ήλιο μπορεί να το κάνει αυτό. Η φωτοσύνθεση εξελίχθηκε στα φυτά ως ένας τρόπος να συλλάβει και να αποθηκεύσει αυτήν την ενέργεια (το κομμάτι «φωτογραφίας») και να τη μετατρέψει σε υδατάνθρακες (το κομμάτι «σύνθεσης»). Τα φυτά χρησιμοποιούν μια σειρά πρωτεϊνών και ενζύμων που τροφοδοτούνται από το ηλιακό φως για να απελευθερώσουν ηλεκτρόνια, τα οποία με τη σειρά τους χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή του CO2 σε σύνθετους υδατάνθρακες. Βασικά, η τεχνητή φωτοσύνθεση ακολουθεί τα ίδια βήματα.
«Στη φυσική φωτοσύνθεση, η οποία είναι μέρος του φυσικού κύκλου του άνθρακα, έχουμε φως, CO2 και νερό που εισέρχονται στο φυτό και το φυτό παράγει ζάχαρη», εξηγεί ο Phil De Luna, υποψήφιος διδάκτορας που εργάζεται στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών στο το Πανεπιστήμιο του Τορόντο. «Στην τεχνητή φωτοσύνθεση χρησιμοποιούμε ανόργανες συσκευές και υλικά. Το πραγματικό τμήμα συλλογής ηλιακής ενέργειας γίνεται από ηλιακά κύτταρα και το τμήμα μετατροπής ενέργειας γίνεται με ηλεκτροχημικές [αντιδράσεις παρουσία] καταλυτών».
Αυτό που πραγματικά ελκύει με αυτή τη διαδικασία είναι η ικανότητα παραγωγής καυσίμου για μακροπρόθεσμη αποθήκευση ενέργειας. Αυτό είναι πολύ περισσότερο από αυτό που μπορούν να κάνουν οι τρέχουσες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, ακόμη και με την αναδυόμενη τεχνολογία μπαταριών. Εάν ο ήλιος δεν είναι έξω ή εάν δεν έχει αέρα, για παράδειγμα, τα ηλιακά πάνελ και τα αιολικά πάρκα απλώς σταματούν να παράγουν. «Για παρατεταμένη εποχιακή αποθήκευση και αποθήκευση σε σύνθετα καύσιμα, χρειαζόμαστε μια καλύτερη λύση», λέει ο De Luna. «Οι μπαταρίες είναι εξαιρετικές για καθημερινή χρήση, για τηλέφωνα, ακόμη και για αυτοκίνητα, αλλά δεν πρόκειται ποτέ να λειτουργήσουμε ένα [Boeing] 747 με μπαταρία».
Προκλήσεις προς επίλυση
Όταν πρόκειται για τη δημιουργία ηλιακών κυψελών –το πρώτο βήμα στη διαδικασία της τεχνητής φωτοσύνθεσης– έχουμε ήδη την τεχνολογία σε εφαρμογή: συστήματα ηλιακής ενέργειας. Ωστόσο, τα τρέχοντα φωτοβολταϊκά πάνελ, τα οποία είναι τυπικά συστήματα ημιαγωγών, είναι σχετικά ακριβά και αναποτελεσματικά σε σύγκριση με τη φύση. Απαιτείται μια νέα τεχνολογία. ένα που σπαταλά πολύ λιγότερη ενέργεια.
Ο Gary Hastings και η ομάδα του από το Georgia State University της Ατλάντα, μπορεί να σκόνταψαν σε ένα σημείο εκκίνησης όταν εξέτασαν την αρχική διαδικασία στα φυτά. Στη φωτοσύνθεση, το κρίσιμο σημείο περιλαμβάνει την κίνηση των ηλεκτρονίων σε μια ορισμένη απόσταση στο κύτταρο. Με πολύ απλά λόγια, είναι αυτή η κίνηση που προκαλείται από το ηλιακό φως που αργότερα μετατρέπεται σε ενέργεια. Ο Χέιστινγκς έδειξε ότι η διαδικασία είναι πολύ αποτελεσματική στη φύση, επειδή αυτά τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να επιστρέψουν στην αρχική τους θέση: «Εάν το ηλεκτρόνιο επιστρέψει από όπου προήλθε, τότε η ηλιακή ενέργεια χάνεται». Αν και αυτή η πιθανότητα είναι σπάνια στα φυτά, συμβαίνει αρκετά συχνά στα ηλιακά πάνελ, εξηγώντας γιατί είναι λιγότερο αποδοτικά από τα πραγματικά.
Ο Χέιστινγκς πιστεύει ότι αυτή η «έρευνα είναι πιθανό να προωθήσει τις τεχνολογίες ηλιακών κυψελών που σχετίζονται με την παραγωγή χημικών ή καυσίμων», αλλά σπεύδει να επισημάνει ότι αυτή είναι απλώς μια ιδέα αυτή τη στιγμή και αυτή η πρόοδος είναι απίθανο να συμβεί σύντομα. «Όσον αφορά την κατασκευή μιας πλήρως τεχνητής τεχνολογίας ηλιακών κυψελών που έχει σχεδιαστεί με βάση αυτές τις ιδέες, πιστεύω ότι η τεχνολογία είναι πιο μακριά στο μέλλον, πιθανότατα όχι μέσα στα επόμενα πέντε χρόνια, ακόμη και για ένα πρωτότυπο».
Ένα πρόβλημα που οι ερευνητές πιστεύουν ότι είμαστε κοντά στην επίλυση περιλαμβάνει το δεύτερο βήμα της διαδικασίας: τη μετατροπή του CO2 σε καύσιμο. Καθώς αυτό το μόριο είναι πολύ σταθερό και χρειάζεται απίστευτη ποσότητα ενέργειας για να το σπάσει, το τεχνητό σύστημα χρησιμοποιεί καταλύτες για να μειώσει την απαιτούμενη ενέργεια και να βοηθήσει στην επιτάχυνση της αντίδρασης. Ωστόσο, αυτή η προσέγγιση φέρνει τα δικά της προβλήματα. Έχουν γίνει πολλές προσπάθειες τα τελευταία δέκα χρόνια, με καταλύτες κατασκευασμένους από μαγγάνιο, τιτάνιο και κοβάλτιο, αλλά η παρατεταμένη χρήση έχει αποδειχτεί ως πρόβλημα. Η θεωρία μπορεί να φαίνεται καλή, αλλά είτε σταματούν να λειτουργούν μετά από λίγες ώρες, είτε γίνονται ασταθείς, αργούν ή προκαλούν άλλες χημικές αντιδράσεις που μπορεί να βλάψουν το κύτταρο.
Όμως, μια συνεργασία Καναδών και Κινέζων ερευνητών φαίνεται να έχει πετύχει το τζάκποτ. Βρήκαν έναν τρόπο να συνδυάσουν το νικέλιο, τον σίδηρο, το κοβάλτιο και τον φώσφορο για να λειτουργήσουν σε ουδέτερο pH, γεγονός που διευκολύνει σημαντικά τη λειτουργία του συστήματος. «Δεδομένου ότι ο καταλύτης μας μπορεί να λειτουργήσει καλά σε ουδέτερο ηλεκτρολύτη pH, ο οποίος είναι απαραίτητος για τη μείωση του CO2, μπορούμε να εκτελέσουμε την ηλεκτρόλυση της μείωσης του CO2 σε [ένα] σύστημα χωρίς μεμβράνη, και ως εκ τούτου η τάση μπορεί να μειωθεί», λέει ο Bo Zhang, από το Τμήμα Μακρομοριακής Επιστήμης στο Πανεπιστήμιο Fudan, Κίνα. Με μια εντυπωσιακή μετατροπή ηλεκτρικής σε χημική ισχύ 64%, η ομάδα είναι πλέον κάτοχοι ρεκόρ με την υψηλότερη απόδοση για συστήματα τεχνητής φωτοσύνθεσης.
«Το μεγαλύτερο πρόβλημα με αυτό που έχουμε αυτή τη στιγμή είναι η κλίμακα»
Για τις προσπάθειές της, η ομάδα έφτασε στους ημιτελικούς στο NRG COSIA Carbon XPRIZE, το οποίο θα μπορούσε να κερδίσει 20 εκατομμύρια δολάρια για την έρευνά τους. Στόχος είναι η «ανάπτυξη πρωτοποριακών τεχνολογιών που θα μετατρέψουν τις εκπομπές CO2 από σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής και βιομηχανικές εγκαταστάσεις σε πολύτιμα προϊόντα» και με τα βελτιωμένα συστήματα τεχνητής φωτοσύνθεσης τους, έχουν καλές πιθανότητες.
Η επόμενη πρόκληση είναι η κλιμάκωση. «Το μεγαλύτερο πρόβλημα με αυτό που έχουμε αυτή τη στιγμή είναι η κλίμακα. Όταν κλιμακώνουμε, καταλήγουμε να χάνουμε την αποτελεσματικότητα», λέει ο De Luna, ο οποίος συμμετείχε επίσης στη μελέτη του Zhang. Ευτυχώς, οι ερευνητές δεν έχουν εξαντλήσει τη λίστα των βελτιώσεων και τώρα προσπαθούν να κάνουν τους καταλύτες πιο αποτελεσματικούς μέσω διαφορετικών συνθέσεων και διαφορετικών διαμορφώσεων.
Νίκη σε δύο μέτωπα
Σίγουρα υπάρχει ακόμη περιθώριο βελτίωσης τόσο βραχυπρόθεσμα όσο και μακροπρόθεσμα, αλλά πολλοί πιστεύουν ότι η τεχνητή φωτοσύνθεση έχει τη δυνατότητα να γίνει ένα σημαντικό εργαλείο ως καθαρή και βιώσιμη τεχνολογία για το μέλλον.
«Είναι απίστευτα συναρπαστικό γιατί το γήπεδο κινείται τόσο γρήγορα. Όσον αφορά την εμπορευματοποίηση, βρισκόμαστε στο οριακό σημείο», λέει ο De Luna, προσθέτοντας ότι, εάν θα λειτουργήσει «θα εξαρτηθεί από πολλούς παράγοντες, όπως η δημόσια πολιτική και η υιοθέτηση από τη βιομηχανία να αποδεχθεί την τεχνολογία ανανεώσιμων πηγών ενέργειας .»
Το να αποκτήσετε σωστά την επιστήμη είναι πραγματικά μόνο το πρώτο βήμα. Στον απόηχο της έρευνας από ανθρώπους όπως ο Hastings και ο Zhang θα έρθει η κρίσιμη κίνηση για την απορρόφηση της τεχνητής φωτοσύνθεσης στην παγκόσμια στρατηγική μας σχετικά με τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Το διακύβευμα είναι μεγάλο. Αν τα καταφέρει, θα κερδίσουμε σε δύο μέτωπα – όχι μόνο στην παραγωγή καυσίμων και χημικών προϊόντων, αλλά και στη μείωση του αποτυπώματος άνθρακα στη διαδικασία.