211service.com
Wyścig o wynalezienie sztucznego liścia
W tym fragmencie z jego nowej książki Oswajanie słońca Varun Sivaram podąża ścieżkami badawczymi dwóch rywalizujących ze sobą naukowców, którzy chcą znaleźć sposób na wyciśnięcie paliwa z powietrza. 21 lutego 2018
Santtu Mustonen
Od wczesnych lat 70. naukowcy starali się opracować technologię, która mogłaby wytwarzać paliwa płynne z dwutlenku węgla, wody i światła słonecznego znacznie wydajniej niż fotosynteza, proces, w którym rośliny wykorzystują światło słoneczne do produkcji węglowodanów i magazynowania energii. Nazywają to sztucznym liściem.
Komercyjnie opłacalny sztuczny liść rozwiązałby kilka najtrudniejszych wyzwań związanych z czystą energią. Stworzyłoby to sposób na bezpośrednie i niedrogie magazynowanie energii słonecznej przy jednoczesnym wytwarzaniu paliwa neutralnego pod względem emisji dwutlenku węgla, które mogłoby przekształcić sektor transportu, oferując nawet sposób na uczynienie długodystansowych podróży lotniczych ekologicznymi.
Ta historia była częścią naszego wydania z marca 2018 r.
- Zobacz resztę numeru
- Subskrybuj
Naukowcy poczynili powolne, ale znaczne postępy w dwóch kluczowych etapach procesu: opracowaniu katalizatorów wykorzystujących energię słoneczną do rozszczepienia wody na tlen i wodór oraz stworzeniu innych, które mogą przekształcać wodór i dwutlenek węgla w paliwo o dużej gęstości energii. Pozostała sztuczka polega na połączeniu tych zadań w przystępny i skalowalny sposób, przy użyciu tanich i powszechnie dostępnych materiałów.
W poniższym fragmencie swojej nowej książki Varun Sivaram, fizyk i pracownik Council on Foreign Relations, analizuje ostatnie postępy i rozbieżne ścieżki badawcze dwóch rywalizujących ze sobą naukowców zdecydowanych w końcu dostarczyć i skomercjalizować sztuczny liść: Nathan Lewis z Caltech i Daniel Nocera na Uniwersytecie Harvarda.
Niedawno w przyjemny wieczór w Beverly Hills członkowie Rady ds. Stosunków Międzynarodowych zebrali się w hotelu Peninsula, aby wysłuchać naukowca, który dzieli się swoją wizją stworzenia sztucznego liścia.
Wśród grona dyrektorów i byłych ambasadorów większość nie była pewna, czego się spodziewać. Kilka z nich wymieniło nerwowe spojrzenia, gdy przedstawiłem referencje mówcy, być może przygotowując się na zawiły wykład z fizyki.
Ale mój gość tego wieczoru, Nate Lewis, profesor z Kalifornijskiego Instytutu Technologii (Caltech), jest rzadkością wśród naukowców ze względu na jego zdolność do kondensowania złożonych koncepcji w niezapomniane dźwięki i wplatania różnych wątków badawczych w przekonującą narrację. Lewis, którego siwe włosy są świadectwem dziesięcioleci, które spędził na pogoni za sztucznym liściem, rozpoczął swoje uwagi na temat przyszłości energii słonecznej tym zwięzłym refrenem: Nie można przechowywać? Brak zasilania po czwartej.
Ta porażka, przekonywał swoim niskim, przeciągającym głosem, oznacza, że pilnie musimy opracować technologie zdolne do przechowywania energii słonecznej w paliwie, które można wykorzystać w razie potrzeby. Jego ulubiona droga, zintegrowany generator paliwa słonecznego, to eleganckie urządzenie, które pobiera wodę i światło słoneczne oraz wypluwa gazowy wodór i tlen. Wodór może być następnie wykorzystany do napędzania pojazdów, wytwarzania energii elektrycznej dla sieci lub służyć jako surowiec do produkcji bardziej złożonych paliw, takich jak benzyna.
Lewis, także główny badacz w finansowanym przez władze federalne Joint Center for Artificial Photosynthesis, chce, aby jego sztuczny liść przewyższał najlepsze rośliny w przyrodzie. Rośliny, pomimo całego swojego sukcesu, są w rzeczywistości okropne w przekształcaniu światła słonecznego w energię. Nawet jeśli nie wiesz nic o tym, jak działa fotosynteza, możesz stwierdzić po zielonym kolorze liści, że całkowicie wydajna konwersja energii może nie być najwyższym priorytetem rośliny (czarne liście byłyby znacznie lepsze w pochłanianiu promieni słonecznych). Zielone chloroplasty w komórkach liścia działają wystarczająco dobrze, aby zaspokoić potrzeby rośliny. Przeprowadzają złożone reakcje chemiczne, które napędzane energią słoneczną zamieniają dwutlenek węgla i wodę w cukry magazynujące energię potrzebne do takich czynności, jak przetrwanie i reprodukcja. Kiedy wszystko jest powiedziane i zrobione, najbardziej wydajne rośliny przetwarzają zaledwie 1 procent wchodzącego światła słonecznego w zmagazynowaną energię.
Roślinność oferuje jednak ogólny model przekształcania światła słonecznego w paliwo. Na początku fotosyntezy rośliny rozdzielają wodę i wytwarzają wodór i tlen. Tlen trafia do atmosfery, a wodór w kolejnych reakcjach chemicznych.
Pouczający jest sposób, w jaki rośliny dokonują tego rozdrabniania wody. Pierwsza lekcja jest taka, że rozdzielają one dwie połowy reakcji chemicznej powodującej rozszczepianie wody — to znaczy reakcje połówkowe, w których powstaje wodór i tlen. Ewolucja nie była piromanem, a ten wybór konstrukcyjny zapobiega spontanicznemu spalaniu wodoru w obecności tlenu. Po drugie, roślina zawiera katalizatory, czyli cząsteczki, które przyspieszają reakcje połowiczne. Po trzecie, rośliny oddzielają dwie reakcje połówkowe membraną, która nie tylko oddziela wodór i tlen, ale także umożliwia przechodzenie przez nią naładowanych jonów, co jest ważne, aby uniknąć nierównowagi ładunku.
Badacze opracowujący generatory paliwa słonecznego również muszą zestawić podobny zestaw komponentów. Dwa materiały znane jako fotoelektrody są zanurzone w wodzie i pochłaniają energię świetlną, aby przeprowadzić każdą z dwóch reakcji połówkowych w celu rozszczepienia wody. Dwa katalizatory przyspieszają każdą z tych połowicznych reakcji. A membrana powstrzymuje całe urządzenie – zwane komórką fotoelektrochemiczną (PEC) – przed wybuchem.
Ale na tym podobieństwa się kończą. Jak lubi mawiać Lewis, po zainspirowaniu się upierzonymi ptakami, ludzie porzucili pióra i wynaleźli 747. W przeciwieństwie do roślin, przyszłościowe generatory energii słonecznej prawdopodobnie nie będą wykorzystywać dwóch zielonych fotoelektrod, które konkurują ze sobą o pochłanianie tej samej części widmo słońca. Jedna z nich – anoda, która wytwarza tlen z wody – powinna wykorzystać kolory światła w kierunku niebieskiego końca widma i pozwolić, aby kolory w kierunku czerwonego końca widma przechodziły, aby zostały pochłonięte przez katodę poniżej, która produkuje wodór.
Wytwarzanie energii po przystępnej cenie będzie wymagało niezwykle tanich i obfitych materiałów. Ale to nie wszystko, co musi zrobić PEC. Aby odnieść sukces, musi być nie tylko tania, ale także bezpieczna, solidna i wydajna. Niestety, do tej pory naukowcom udało się stworzyć urządzenia posiadające nie więcej niż trzy z tych czterech cech.
Zacznij od bezpieczeństwa. Aby zapobiec łączeniu się i eksplozji wodoru i tlenu, PEC potrzebuje membrany, która oddziela dwie reakcje połówkowe. Ale reakcja połówkowa, która wytwarza tlen z wody, powoduje również, że woda staje się kwaśna, podczas gdy reakcja połówkowa, w której wytwarza się wodór, zamienia pobliską wodę na zasadową. Naukowcy muszą znaleźć materiały na fotoelektrody i katalizatory, które nie rozpuszczają się ani nie korodują w kwaśnych lub zasadowych mediach. To żądanie wyklucza wiele tanich materiałów, które nie przetrwałyby w takich warunkach. Dlatego wykonanie generatora na paliwo słoneczne z tanich materiałów i wyposażenie go w membranę w celu zapewnienia bezpieczeństwa może doprowadzić do tego, że nie przejdzie testu wytrzymałości.
Następnie rozważ ilość energii słonecznej, którą urządzenie zamienia na energię zmagazynowaną w postaci wodoru. Ta wydajność zależy od tego, jak dobrze fotoelektrody wspólnie pochłaniają światło słoneczne i jak szybko dwie reakcje połowiczne rozdzielają wodę. Dzięki starannie dobranym fotoelektrodom i katalizatorom generator na paliwo słoneczne może teoretycznie osiągnąć ponad 30-procentową sprawność. Drogie półprzewodniki oferują różnorodny bufet materiałów do wyboru, ale tańsze związki prezentują znacznie bardziej ograniczone menu. Podobnie katalizatory z metali szlachetnych, takie jak platyna, świetnie przyspieszają reakcje, ale są rzadkie i kosztowne. Interdyscyplinarny zespół naukowców, którym kierował Lewis, zaczął rzucać ogromną moc obliczeniową na problem znalezienia materiałów spełniających wszystkie cztery kryteria, systematycznie symulując tysiące związków i testując w laboratorium najbardziej obiecujących kandydatów.
Istotną rolę w procesie badawczym odegrała stara dobra naukowa intuicja — jak i trochę szczęścia. Wyróżniają się dwa przykłady. Po pierwsze, Lewis i jego współpracownicy znaleźli inspirację w katalizatorach stosowanych w rafineriach ropy naftowej do usuwania zanieczyszczającej powietrze siarki z produktów naftowych. Katalizatory te są tanie i doskonale przyspieszają reakcję połówkową, w której powstaje wodór. (Niestety, naukowcy wciąż szukają taniego, skutecznego katalizatora do reakcji połowicznej produkującej tlen.)
Po drugie, naukowcy z laboratorium Lewisa przypadkowo pokryli swoje próbki cienką warstwą dwutlenku tytanu i odkryli zaskakujący wynik. Dwutlenek tytanu to kluczowy składnik kremu przeciwsłonecznego, który chroni skórę, blokując promienie ultrafioletowe światła słonecznego. Tutaj jednak ultracienka powłoka odegrała zupełnie inną rolę, chroniąc fotoelektrody i katalizatory przed zjedzeniem przez roztwór zasadowy.
Razem, zapożyczone spostrzeżenia z przemysłu naftowego i przypadkowe odkrycie kremu przeciwsłonecznego pozwoliły Lewisowi i kolegom naukowcom z Caltech dokonać przełomu. W 2015 roku ogłosili zintegrowany generator paliwa słonecznego, który był ponad 10 procent wydajny w przekształcaniu światła słonecznego w paliwo wodorowe. Sama wydajność nie była żadnym wielkim skokiem — inni osiągnęli wydajność 22%. Ale urządzenie Caltech wykorzystywało tanie katalizatory obfitujące w Ziemię i było w stanie wypompować wodór w ciągu dwóch dni ciągłej pracy. Jako dowód koncepcji, drażnił możliwość powstania komercyjnego produktu w przyszłości.
Jeśli i kiedy ta technologia doprowadzi do powstania produktu komercyjnego, jest mało prawdopodobne, aby wyglądał jak liście, które ją zainspirowały. Lewis wyobraża sobie plandekę, rozwiniętą na rozległym obszarze, aby wchłaniać promienie słoneczne, z rynnami do zbierania wytwarzanego wodoru. Jest to dalekie od prototypu o wielkości jednego centymetra sześciennego, który stworzył jego zespół, ale słuchając wizji Lewisa, trudno nie marzyć o wielkich rzeczach.
Święty Gral
W całym kraju, z Nate Lewis, inny uznany naukowiec również poszukuje możliwości skomercjalizowania sztucznego liścia. Podobnie jak Lewis, Dan Nocera z Uniwersytetu Harvarda zręcznie łączy naukę i komunikację, dorabiając jako gwiazda nauki – coś w rodzaju Carla Sagana w przypadku paliw słonecznych. Ma talent do nawiązywania kontaktów z różnymi odbiorcami, od zgromadzeń naukowych Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego po szczyty hobnobbingowe Instytutu Aspen. Jeśli jego tłum je stek, rozgrzeje go, pytając: Co właśnie przeżułeś? Słońce! Wołowina była po prostu energią światła słonecznego.
Chociaż zarówno Lewis, jak i Nocera mają siwe włosy, zdolność do angażowania szerokiej publiczności i tego samego opiekuna, gdy byli na studiach podyplomowych, ich podejście do tworzenia sztucznego liścia jest dramatycznie różne, co skutkuje ożywioną zawodową rywalizacją. Podczas gdy Lewis skupia się na produkcji wodoru przy użyciu lasera, Nocera chce przeskoczyć wodór i zbudować urządzenie, które wykorzystuje światło słoneczne do bezpośredniej produkcji wygodnych, zawierających węgiel paliw, które mogą natychmiast zastąpić dzisiejsze produkty naftowe.
Przez pewien czas Nocera zadowoliła się skupieniem się tylko na produkcji wodoru. W 2011 roku zwrócił na siebie uwagę świata naukowego, wrzucając coś, co wyglądało jak ciemny znaczek pocztowy, do szklanki wody, powodując bąbelki wodoru i tlenu po obu stronach. Pomimo swojej prostoty, jego sztuczny liść był zwieńczeniem 30 lat badań, sięgających czasów, kiedy był absolwentem Caltech. Po dokonaniu przełomu, Nocera postanowił wprowadzić na rynek swoją nową technologię.
Niestety, miał wyciągnąć lekcję, której nauczył się prawie każdy inny startup z Doliny Krzemowej zajmujący się czystą energią: nadchodzi naprawdę trudna część po dokonując ekscytującego odkrycia laboratoryjnego. Później lamentował, zrobiłem świętego Graala nauki. Świetny! To nie znaczy, że zrobiłem świętego Graala technologii. A tego nie rozumieją naukowcy i profesorowie. Jego start-up, Sun Catalytix, ostatecznie odszedł od paliwa słonecznego, aby opracować baterie do przechowywania energii dla sieci energetycznej (Lockheed kupił firmę za nieujawnioną kwotę w 2014 r.).
Ale doświadczenie nie powstrzymało go przed pogonią za świętymi Graalami, więc teraz Nocera dąży do jeszcze trudniejszego celu, jakim jest wykorzystanie światła słonecznego, wody i dwutlenku węgla do produkcji paliw ciekłych na bazie węgla. Potencjalne korzyści płynące z takiej technologii są przekonujące. Paliwa płynne mają już olbrzymią globalną sieć infrastruktury, w tym magazyny, rurociągi transkontynentalne i supertankowce, nie wspominając o wszechobecnych stacjach benzynowych na całym świecie. Urządzenie, które mogłoby przekształcić światło słoneczne w powszechnie używane paliwa, mogłoby zostać podłączone do tej infrastruktury.
Lewis utrzymuje, że najbardziej obiecującą metodą wytwarzania paliw na bazie węgla ze światła słonecznego jest wodór wytwarzany przez energię słoneczną jako pośrednik. Stamtąd dobrze poznane procesy przemysłowe mogą łączyć wodór z dwutlenkiem węgla – wychwytywanym z fabryk i elektrowni spalających paliwa kopalne – w celu wytworzenia szeregu użytecznych paliw zwanych węglowodorami. Rafineria słoneczna mogłaby wytwarzać ten sam zakres paliw węglowodorowych, które są obecnie produkowane w rafineriach ropy naftowej, a następnie wykorzystywane jako paliwa transportowe lub przekształcane w szereg produktów, od tworzyw sztucznych po farmaceutyki.
Choć brzmi to futurystycznie, Nocera chce zrobić coś jeszcze cięższego. Chce ominąć pośrednią produkcję wodoru i wykorzystać światło słoneczne, wodę i dwutlenek węgla do… bezpośrednio wytwarzać paliwa zawierające węgiel. Gdyby ten manewr można było wykonać w sposób oszczędny i na dużą skalę, byłby to najbardziej wydajna, jednorazowa metoda przechowywania światła słonecznego w najbardziej wszechstronnych paliwach znanych ludzkości.
Z naukowego punktu widzenia to zadanie wydaje się prawie niemożliwe. Samo rozszczepienie wody w celu wytworzenia wodoru i tlenu jest wystarczająco trudne. Ale stworzenie najprostszego węglowodoru – jednowęglowego metanu, który składa się z gazu ziemnego – jest znacznie bardziej złożoną propozycją. Będzie to wymagało odkrycia jeszcze większej liczby nowych materiałów do pochłaniania światła i katalizowania reakcji chemicznych. W rezultacie komercyjna technologia wytwarzania paliw węglowych bezpośrednio z energii słonecznej jest znacznie dalej niż technologia produkująca wodór.
Niemniej jednak w ciągu ostatnich trzech lat Nocera dokonała szeregu nieprawdopodobnych przełomów. Pierwszym była zmiana pojęciowa: zamiast używać urządzeń stworzonych przez człowieka do pokonania fotosyntezy, dlaczego nie wykorzystać natury? Nocera wiedziała, że natura wykorzystuje złożone enzymy jako katalizatory w fotosyntezie do przekształcania światła słonecznego w złożone cukry. Zdał sobie sprawę, że genetycznie zmodyfikowane bakterie mogą zachowywać się podobnie po wyposażeniu ich w arsenał silnych enzymów.
Tak więc w 2015 roku Nocera zbudowała urządzenie hybrydowe, które najpierw rozdziela wodę za pomocą nieorganicznego katalizatora, aby wytworzyć wodór, tak jak robią to inne technologie sztucznych liści. To samo urządzenie dostarczało następnie wodór wraz z czystym dwutlenkiem węgla do bakterii, które produkowały paliwa płynne. Ale chociaż robaki były świetne w przekształcaniu dwutlenku węgla i wodoru w różne paliwa, nie były kompatybilne z katalizatorem nieorganicznym, który wytwarzał formy reaktywnego tlenu, które niszczyły DNA bakterii.
Następnie w 2016 roku Nocera i współpracownicy opublikowali artykuł w czasopiśmie Nauka triumfalnie zapowiada nowy katalizator, wykonany ze stopu kobaltowo-fosforowego. Nie tylko pozostawił bakterie nienaruszone, ale także samoorganizował się poza roztworem, naśladując samoleczące się katalizatory występujące w naturze. Dzięki harmonijnej współpracy katalizatora i bakterii urządzenie Nocera było w stanie osiągnąć 10-procentową wydajność w przekształcaniu światła słonecznego w paliwa alkoholowe. Nocera poinformował, że robaki powinny być w stanie wyprodukować kilka innych cząsteczek zawierających węgiel do szeregu zastosowań, od tankowania pojazdów po produkcję tworzyw sztucznych. Idąc dalej, wykazał w 2017 r., że hybrydowe podejście katalizator-plus-bakterie może wiązać azot w atmosferze w celu wytworzenia amoniaku. Jest to kuszące odkrycie, ponieważ ponad 1 procent globalnej energii jest dziś wykorzystywany do produkcji amoniaku do nawożenia upraw i wyżywienia świata. Prototyp Nocery sugeruje, że pewnego dnia światło słoneczne może zasilać ten proces, a nie paliwa kopalne.
Jury wciąż nie zastanawia się, czy decyzja Nocery o wykorzystaniu żywych organizmów to dobry pomysł. Rzeczywiście, bakterie są dość wybredne, wrażliwe na kwasowość i temperaturę otoczenia, a zatem trudne do zaprojektowania. Na razie inteligentne pieniądze są przeznaczane na urządzenia, które wykorzystują światło słoneczne do produkcji wodoru szybciej niż te, które próbują bezpośrednio produkować paliwa oparte na węglu. Ale łącząc nowoczesne materiały z magią natury, naukowcy mogą jeszcze przeskoczyć prosty wodór w poszukiwaniu realnej drogi do ostatecznego świętego Graala: w 100 procentach czystych, jednorazowych zamienników paliw kopalnych.
Wyciąg z Oswajanie słońca: innowacje w celu wykorzystania energii słonecznej i zasilania planety autorstwa Varuna Sivarama, opublikowanym przez MIT Press. 2018 Massachusetts Institute of Technology. Wszelkie prawa zastrzeżone.