Fotosinteza: mecanism fundamental pentru viața pe această planetă, flagelul studenților la biologie GCSE și acum o modalitate potențială de a lupta împotriva schimbărilor climatice. Oamenii de știință lucrează din greu pentru a dezvolta o metodă artificială care imită modul în care plantele folosesc lumina soarelui pentru a transforma CO2 și apa în ceva ce putem folosi drept combustibil. Dacă funcționează, va fi un scenariu câștigător pentru noi: nu numai că vom beneficia de energia regenerabilă produsă în acest mod, dar ar putea deveni și o modalitate importantă de a reduce nivelul de CO2 din atmosferă.
Cu toate acestea, plantelor le-au luat miliarde de ani pentru a dezvolta fotosinteza și nu este întotdeauna o sarcină ușoară să reproduci ceea ce se întâmplă în natură. În momentul de față, pașii de bază în fotosinteza artificială funcționează, dar nu foarte eficient. Vestea bună este că cercetarea în acest domeniu ia ritm și există grupuri din întreaga lume care fac pași spre valorificarea acestui proces integral.
Fotosinteza în două etape
Fotosinteza nu înseamnă doar captarea luminii solare. O șopârlă care se scaldă în soarele cald poate face asta. Fotosinteza a evoluat în plante ca o modalitate de a capta și stoca această energie (bitul „fotografie”) și de a o transforma în carbohidrați (bitul de „sinteză”). Plantele folosesc o serie de proteine și enzime alimentate de lumina soarelui pentru a elibera electroni, care la rândul lor sunt utilizați pentru a transforma CO2 în carbohidrați complecși. Practic, fotosinteza artificială urmează aceiași pași.
„În fotosinteza naturală, care face parte din ciclul natural al carbonului, avem lumină, CO2 și apă care intră în plantă, iar planta produce zahăr”, explică Phil De Luna, doctorand care lucrează la Departamentul de Inginerie Electrică și Calculatoare de la Universitatea din Toronto. „În fotosinteza artificială, folosim dispozitive și materiale anorganice. Porțiunea reală de recoltare solară este realizată de celule solare, iar partea de conversie a energiei este realizată prin [reacții electrochimice în prezența] catalizatorilor.”
Ceea ce atrage cu adevărat acest proces este capacitatea de a produce combustibil pentru stocarea pe termen lung a energiei. Acesta este mult mai mult decât ceea ce pot face sursele de energie regenerabile actuale, chiar și cu tehnologia emergentă a bateriilor. Dacă soarele nu este afară sau dacă nu este o zi cu vânt, de exemplu, panourile solare și parcurile eoliene pur și simplu încetează să producă. „Pentru depozitarea sezonieră prelungită și depozitarea în combustibili complecși, avem nevoie de o soluție mai bună”, spune De Luna. „Bateriile sunt grozave pentru zi cu zi, pentru telefoane și chiar pentru mașini, dar nu vom rula niciodată un [Boeing] 747 cu baterie.”
Provocări de rezolvat
Când vine vorba de crearea celulelor solare – primul pas în procesul de fotosinteză artificială – avem deja tehnologia în vigoare: sisteme de energie solară. Cu toate acestea, panourile fotovoltaice actuale, care sunt de obicei sisteme bazate pe semiconductori, sunt relativ scumpe și ineficiente în comparație cu natura. Este nevoie de o nouă tehnologie; unul care risipește mult mai puțină energie.
Gary Hastings și echipa sa de la Universitatea de Stat din Georgia, Atlanta, s-ar putea să fi dat peste un punct de plecare când se uită la procesul inițial din plante. În fotosinteză, punctul crucial implică mișcarea electronilor pe o anumită distanță în celulă. În termeni foarte simpli, această mișcare cauzată de lumina soarelui este transformată ulterior în energie. Hastings a arătat că procesul este foarte eficient în natură, deoarece acești electroni nu se pot întoarce la poziția inițială: „Dacă electronul se întoarce la locul de unde a venit, atunci energia solară se pierde”. Deși această posibilitate este rară în plante, se întâmplă destul de frecvent în panourile solare, explicând de ce sunt mai puțin eficiente decât cele reale.
Hastings consideră că această „cercetare este probabil să avanseze tehnologiile cu celule solare legate de producția de substanțe chimice sau de combustibil”, dar se grăbește să sublinieze că aceasta este doar o idee în acest moment și este puțin probabil ca acest progres să se întâmple în curând. „În ceea ce privește fabricarea unei tehnologii de celule solare complet artificiale, care este proiectată pe baza acestor idei, cred că tehnologia este mai departe în viitor, probabil nu în următorii cinci ani, chiar și pentru un prototip.”
O problemă a cercetătorilor cred că suntem aproape de rezolvare implică al doilea pas al procesului: transformarea CO2 în combustibil. Deoarece această moleculă este foarte stabilă și este nevoie de o cantitate incredibilă de energie pentru ao sparge, sistemul artificial folosește catalizatori pentru a reduce energia necesară și pentru a ajuta la accelerarea reacției. Cu toate acestea, această abordare aduce propriul set de probleme. Au existat multe încercări în ultimii zece ani, cu catalizatori fabricați din mangan, titan și cobalt, dar utilizarea prelungită s-a dovedit a fi o problemă. Teoria poate părea bună, dar ele fie încetează să funcționeze după câteva ore, devin instabile, încetinesc, fie declanșează alte reacții chimice care pot deteriora celula.
Dar o colaborare între cercetătorii canadieni și chinezi pare să fi ajuns la jackpot-ul. Ei au găsit o modalitate de a combina nichelul, fierul, cobaltul și fosforul pentru a funcționa la un pH neutru, ceea ce face funcționarea sistemului considerabil mai ușoară. „Deoarece catalizatorul nostru poate funcționa bine în electrolitul cu pH neutru, care este necesar pentru reducerea CO2, putem rula electroliza reducerii CO2 într-un sistem fără membrană și, prin urmare, tensiunea poate fi scăzută”, spune Bo Zhang, de la Departamentul de Știință Macromoleculară de la Universitatea Fudan, China. Cu o conversie impresionantă a puterii electrice-chimice de 64%, echipa este acum deținătoare de recorduri cu cea mai mare eficiență pentru sistemele de fotosinteză artificială.
„Cea mai mare problemă cu ceea ce avem acum este scara”
Pentru eforturile lor, echipa a ajuns în semifinale în NRG COSIA Carbon XPRIZE, care le-ar putea câștiga 20 de milioane de dolari pentru cercetarea lor. Scopul este de a „dezvolta tehnologii inovatoare care vor transforma emisiile de CO2 de la centralele electrice și instalațiile industriale în produse valoroase”, iar cu sistemele lor de fotosinteză artificială îmbunătățite, aceștia au șanse mari.
Următoarea provocare este extinderea. „Cea mai mare problemă cu ceea ce avem acum este scara. Când creștem, ajungem să pierdem eficiența”, spune De Luna, care a fost, de asemenea, implicat în studiul lui Zhang. Din fericire, cercetătorii nu și-au epuizat lista de îmbunătățiri și acum încearcă să facă catalizatorii mai eficienți prin diferite compoziții și configurații diferite.
Câștigând pe două fronturi
Cu siguranță mai este loc de îmbunătățire atât pe termen scurt, cât și pe termen lung, dar mulți consideră că fotosinteza artificială are potențialul de a deveni un instrument important ca tehnologie curată și durabilă pentru viitor.
„Este incredibil de interesant pentru că terenul se mișcă atât de repede. În ceea ce privește comercializarea, suntem la punctul de vârf”, spune De Luna, adăugând că, dacă funcționează, „va depinde de o mulțime de factori, care includ politicile publice și adoptarea de către industrie pentru a accepta tehnologia energiei regenerabile. .”
Prin urmare, obținerea științei corect este doar primul pas. În urma cercetărilor făcute de oameni ca Hastings și Zhang, va veni mișcarea crucială de a absorbi fotosinteza artificială în strategia noastră globală în jurul energiei regenerabile. Miza este mare. Dacă va reuși, vom câștiga pe două fronturi – nu numai producția de combustibili și produse chimice, ci și reducerea amprentei noastre de carbon în acest proces.
