Idealne paliwo

W słoneczny dzień na kampusie Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley spokojny szelest drzew eukaliptusowych przeczy wściekłej aktywności chemicznej zachodzącej w każdym liściu. Poprzez fotosyntezę liście wykorzystują energię słoneczną do przekształcenia wody i dwutlenku węgla w substancje potrzebne roślinom, emitując w tym procesie tylko tlen. W pobliskim laboratorium chemik Peidong Yang buduje sztuczny system, który robi to samo, używając macierzy nanoprzewodów połączonych ze sztucznymi bakteriami. Jeśli coś takiego kiedykolwiek zostanie powiększone, wyprodukuje lepszą wersję paliw, których używamy dzisiaj – taką, która nie zwiększa całkowitej ilości dwutlenku węgla w powietrzu.

Peidong Yang

Fotosynteza była bardzo trudna do naśladowania w laboratorium. W latach 70. naukowcy z Uniwersytetu Tokijskiego po raz pierwszy wykazali, że urządzenie zasilane energią słoneczną może robić to, co rośliny robią na pierwszym etapie fotosyntezy: rozdzielać wodę na wodór i tlen. Po początkowym wybuchu aktywności pole utkwiło w martwym punkcie. Ale odrodził się w kilku laboratoriach dzięki ponownemu skupieniu się na problemie energetycznym i zmianach klimatycznych – oraz dzięki pojawieniu się nowych technologii.

1. Ten mały reaktor wypełniony prekursorami chemicznymi i wodą jest podgrzewany w piecu w celu wyhodowania nanodrutów z dwutlenku tytanu.

2. Nanodruty krzemowe są hodowane z gazowych prekursorów przepływających przez ten reaktor.

3. Nanodruty krzemowe można również hodować na większych powierzchniach, takich jak ten wafel. Jest cięty na kawałki, które służą jako elektrody wewnątrz urządzenia.

4. Bakterie w tym inkubatorze zostaną zasiane na elektrodzie, aby działały jako żywe katalizatory.

Ta historia była częścią naszego wydania ze stycznia 2016 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Laboratorium Yanga udoskonala podstawowy projekt, który został opracowany w latach 70. w Narodowym Laboratorium Energii Odnawialnej. Ma dwie światłoczułe elektrody pokryte katalizatorem — Yang używa niklu, który jest niedrogi — które razem dzielą wodę na tlen i wodór. W pierwotnej konfiguracji elektrody były płaskie, ale Yang zamiast tego używa macierzy nanoprzewodów wykonanych z krzemu i innych półprzewodników. Ponieważ nanodruty mają 100 razy większą powierzchnię niż płaskie elektrody, które mogłyby zmieścić się w tej samej przestrzeni, mogą pomieścić więcej katalizatora, znacznie zwiększając wydajność reakcji.

Jednak rozszczepianie wody jest łatwą połową fotosyntezy. Rośliny idą dalej, wykorzystując wodór z wody w reakcjach, które zamieniają węgiel z powietrza w złożone cząsteczki. Yang też chce to zrobić. W końcu nasze samoloty i samochody nie są napędzane wodorem; potrzebują benzyny i innych chemicznie złożonych paliw.

5. Wewnątrz tego urządzenia światło napędza reakcję, w której woda i dwutlenek węgla są przekształcane w paliwo. Rurki umożliwiają produkt uboczny reakcji — czysty tlen — uciec.

6 i 7. Niektóre bakterie w systemie wytwarzają metan, który można wykorzystać bezpośrednio jako paliwo; inne wytwarzają octan, który jest podawany innym genetycznie zmodyfikowanym bakteriom do produkcji paliw i tworzyw sztucznych. Tutaj, zaprojektowano E coli żywić się octanem.

8. Narzędzia analityczne, w tym spektrometry mas, służą do weryfikacji, czy bakterie wytworzyły pożądaną substancję chemiczną. Jak dotąd system jest tak wydajny, jak naturalna fotosynteza.

Aby katalizować tę część procesu, Yang opiera się na innej technologii, której nie było w latach 70-tych. Wraz z kolegami wykazali, że genetycznie zmodyfikowane bakterie zagnieżdżone pośród nanoprzewodów działają jak żywe katalizatory. Wychwytują wodór rozdzielony z wody i łączą go z dwutlenkiem węgla, tworząc metan i inne węglowodory potrzebne do produkcji paliw lub tworzyw sztucznych. Robaki robią to za pomocą naturalnych enzymów, które przeprowadzają szereg reakcji, których chemicy nie byli jeszcze w stanie opanować za pomocą syntetycznych katalizatorów.

System Yanga dorównuje obecnie wydajności fotosyntezy, przechowując mniej niż 1 procent energii przechwyconej ze światła słonecznego w postaci wiązań chemicznych. To nie jest złe w przypadku demonstracji weryfikacji koncepcji, ale kluczowe będzie zwiększenie wydajności, a tym samym opłacalności.

Yang ma nadzieję, że w końcu przejdzie na syntetyczne katalizatory zamiast na bakterie, które są trudne do utrzymania przy życiu. Jednak całkowite wyeliminowanie błędów może nie być konieczne, biorąc pod uwagę pilną potrzebę czystych paliw. Jeśli ma to być podejście hybrydowe, to w porządku, mówi.

ukryć