Zaspokajanie światowych potrzeb energetycznych światłem i wodą

Podczas gdy naukowcy i technolodzy na całym świecie starają się znaleźć czystsze źródła energii, niektórzy chemicy sięgają po eleganckie rozwiązanie natury: fotosyntezę. W fotosyntezie rośliny zielone wykorzystują energię światła słonecznego do rozkładania wody i dwutlenku węgla. Manipulując elektronami i atomami wodoru, tlenu i węgla w szeregu złożonych reakcji chemicznych, proces ostatecznie wytwarza celulozę i ligninę, które tworzą strukturę rośliny, a także zmagazynowaną energię w postaci cukru. Zrozumienie, jak działa ten proces, myśli Daniel Nocera , profesor chemii na MIT, może doprowadzić do sposobów wytwarzania i przechowywania energii słonecznej w formach, które są praktyczne do napędzania samochodów i dostarczania energii elektrycznej, nawet gdy słońce nie świeci.

Uwolnienie energii: Daniel Nocera, profesor chemii na MIT, mówi, że podstawowe badania nad chemicznymi procesami fotosyntezy mogą doprowadzić do powstania społeczeństwa zasilanego wodą i światłem słonecznym.

Według Nocery, uznanego eksperta w dziedzinie fotosyntezy, potrzebne są przełomy w naszym zrozumieniu podstawowych procesów chemicznych, które umożliwiają fotosyntezę. Studiuje zasady fotosyntezy i wykorzystuje zdobytą wiedzę do wytwarzania katalizatorów wykorzystujących energię słoneczną do wytwarzania gazowego wodoru do ogniw paliwowych. Cel Nocery: świat zasilany światłem i wodą.

Przegląd technologii : Jakie jest obecnie największe wyzwanie związane z energią?

Daniel Nocera : Prawdziwym wyzwaniem związanym z energią jest problem skalowania. Będziemy mieć ogromne zapotrzebowanie na energię, a kiedy zaczniesz patrzeć na wszystkie liczby, jest tylko jedna podaż, która ma skalę i jest to słońce. Ale to wciąż problem badawczy. Wszystkie technologie podążają za liniami; potem jest odkrycie i nowa linia, która jest lepsza. Jesteśmy teraz na bardzo przewidywalnej linii w słonecznej. Większość rzeczy, o których słyszysz, to stopniowe postępy.

DZIECI : Badasz fotosyntezę, aby uzyskać pomysły na przekształcenie światła słonecznego w paliwo chemiczne – wodór – do wykorzystania, gdy słońce nie świeci lub do zasilania pojazdów z ogniwami paliwowymi.

DN : Możesz korzystać z prądu bezpośrednio, gdy słońce świeci, w miejscach nasłonecznionych. [Ale] potrzebujesz przechowywania. Nie da się tego obejść. Destyluję esencję fotosyntezy, aby móc ją wykorzystać.

DZIECI : Dlaczego fotosynteza jest atrakcyjna w poszukiwaniu źródła czystej energii?

DN : [Fotosynteza] robi trzy rzeczy. Przechwytuje światło słoneczne i [po drugie] przekształca je w prąd bezprzewodowy – liście buczą prądem elektrycznym. I po trzecie, zajmuje się przechowywaniem. Przechowuje przekształconą energię świetlną w energię chemiczną. Wykorzystuje tę energię chemiczną do procesu życiowego, a następnie trochę przechowuje.

Okazuje się, że fotosynteza jest jedną z najwydajniejszych maszyn na świecie do konwersji energii. Ale to nie jest dobre do przechowywania energii, ponieważ nie do tego zbudowano [roślinę]. Został zbudowany, aby żyć, rosnąć i rozmnażać się.

I takie podejście przyjmujemy. Czy możemy teraz zrobić to, co liść robi sztucznie, czyli wychwytywanie, przekształcanie i przechowywanie w wiązaniach chemicznych? Ale moje urządzenie nie musi żyć: może przyjąć o wiele więcej tej energii i umieścić ją w wiązaniach chemicznych.

DZIECI : I odniosłeś pewien sukces, umieszczając to, czego nauczyłeś się używać.

DN : Stworzyliśmy związek, który wytwarza wodór za pomocą światła. Mamy coś, co można rozpuścić w roztworze, poświecić na to światłem, a wodór zacznie bulgotać. Nie zrobił tego tak skutecznie. Ale był to duży postęp, ponieważ zawierał wiele nowych koncepcji, aby pokazać, jak można wykorzystać światło słoneczne do produkcji wodoru.

DZIECI : Jakie są niektóre z problemów badawczych, którymi się zajmujesz, a które, jak masz nadzieję, mogą doprowadzić do dużego kroku naprzód w dziedzinie energii słonecznej?

DN : Coś, nad czym naprawdę ciężko pracowaliśmy, to [zrozumienie] zasad projektowania, w których działa fotosynteza.

Jednym z nich jest to, że kiedy [fotosynteza] dzieli wodę na wodór i tlen, używa więcej niż jednego elektronu. Ten płynący prąd płynie po jednym elektronu na raz. Ale wtedy [roślina] przechowuje je i używa jednocześnie czterech elektronów. Nie wiemy bardzo dobrze, jak przeprowadzać reakcje wieloelektronowe. Nie mamy nawet teorii, aby je opisać.

A potem trzeba zarządzać protonami – i to jest to, co biologia robi naprawdę dobrze. Pobiera prąd elektryczny, a następnie przekształca go w prąd chemiczny, a tym, co przewodzi prąd chemiczny, są protony. A potem wysyła atomy. Fotowoltaika wysyła elektrony do punktu. Fotosynteza faktycznie wysyła nie elektron, ale atom. A to jeszcze trudniejsze, ponieważ atomy są o wiele cięższe od elektronów. Więc zagłębiliśmy się w zrozumienie, jak przenieść atomy [takie jak atomy wodoru] z punktu A do B, aby mogły się ze sobą połączyć? Jak je złożyć, aby mogły się zjednoczyć?

DZIECI : Napisałeś, że chemia prawdopodobnie będzie odgrywać najważniejszą rolę ze wszystkich nauk w rozwiązywaniu problemów energetycznych. Jak podsumowałbyś rolę chemii?

DN : Dla osób zmieniających zasady gry jest to naprawdę łatwe. Są trzy.

Zrób fotowoltaikę tanią, a to dużo chemii. Wynajduje nowe materiały, aby fotowoltaika była tania.

Zastąp metale szlachetne – takie jak platyna – metalami obficie występującymi. Ponieważ nie ma wystarczająco dużo rzeczy. Kiedy mówisz o tak dużej skali, lepiej używaj takich rzeczy jak żelazo i mangan. Lepiej spójrz na swoją książkę, która mówi, jakie są najbardziej obfite elementy na powierzchni ziemi.

DZIECI : A to dotyczy ogniw paliwowych, a także fotowoltaiki.

DN : Fotowoltaika – wszystko. To jest prawdziwy problem technologiczny, o którym musisz pamiętać. Nie jest to coś tak wspaniałego, jest w 100 procentach wydajne – a tak przy okazji, używam rutenu. Mogę teraz użyć rutenu, aby nauczyć mnie zasady, ale ruten jest poniżej żelaza [w układzie okresowym pierwiastków]. Więc lepiej wymyślę, jak mogę wziąć wszystko, czego się uczę, z rutenem i zastosować to do żelaza?

DZIECI : A trzeci zmieniacz gry?

DN : Podziel wodę za pomocą światła. Robisz te trzy rzeczy i masz całkowicie nową ekonomię energetyczną. Trudno mi powiedzieć dokładnie, jak ta technologia będzie wyglądać, ponieważ brakuje nauki. Ale na początku XX wieku zbudowaliśmy całe społeczeństwo oparte na nowym systemie energetycznym. I wierzę, że kiedy pojawi się energia słoneczna, z pomocą biopaliw, z niewielką pomocą wiatru, ponownie wymyślimy nasze społeczeństwo z nowego źródła energii.

ukryć