Flydende kunstige blade rider på bølgen af ​​ren brændstofproduktion

Forskere har udviklet flydende "kunstige blade", der genererer rent brændstof fra sollys og vand, og som i sidste ende kan fungere i stor skala til søs.

Forskerne fra University of Cambridge har designet ultratynde, fleksible enheder, som tager deres inspiration fra fotosyntesen - den proces, hvorved planter omdanner sollys til mad. Da de billige, autonome enheder er lette nok til at flyde, kan de bruges til at generere et bæredygtigt alternativ til benzin uden at optage plads på landjorden.

Udendørs test af letvægtsbladene på floden Cam – nær ikoniske Cambridge-steder, herunder Sukkenes Bridge, Wren Library og King's College Chapel – viste, at de kan omdanne sollys til brændstof lige så effektivt som planteblade.

Det er første gang, at der er genereret rent brændstof på vand, og hvis de skaleres op, kan de kunstige blade bruges på forurenede vandveje, i havne eller endda på havet, og det kan være med til at reducere den globale skibsindustris afhængighed af fossile brændstoffer. Resultaterne er rapporteret i tidsskriftet Nature .

Mens vedvarende energiteknologier, såsom vind- og solenergi, er blevet betydeligt billigere og mere tilgængelige i de senere år, er dekarbonisering en meget højere ordre for industrier som skibsfart. Omkring 80 % af den globale handel transporteres med fragtskibe drevet af fossile brændstoffer, men sektoren har alligevel fået bemærkelsesværdig lidt opmærksomhed i diskussionerne omkring klimakrisen.

Professor Erwin Reisners forskergruppe i Cambridge har i flere år arbejdet på at løse dette problem ved at udvikle bæredygtige løsninger på benzin, som er baseret på principperne for fotosyntese. I 2019 udviklede de et kunstigt blad, som gør syngas – et centralt mellemprodukt i produktionen af ​​mange kemikalier og lægemidler – fra sollys, kuldioxid og vand.

Den tidligere prototype genererede brændstof ved at kombinere to lysabsorbere med passende katalysatorer. Den indeholdt dog tykke glassubstrater og fugtbeskyttende belægninger, hvilket gjorde enheden omfangsrig.

"Kunstige blade kan sænke omkostningerne ved bæredygtig brændstofproduktion betydeligt, men da de både er tunge og skrøbelige, er de svære at producere i skala og transport," siger Dr. Virgil Andrei fra Cambridges Yusuf Hamied Department of Chemistry, avisens medhovedforfatter.

"Vi ønskede at se, hvor langt vi kan trimme de materialer, disse enheder bruger, uden at påvirke deres ydeevne," sagde Reisner, der ledede forskningen. "Hvis vi kan trimme materialerne så langt ned, at de er lette nok til at flyde, så åbner det helt nye måder, hvorpå disse kunstige blade kan bruges."

Til den nye version af det kunstige blad tog forskerne deres inspiration fra elektronikindustrien, hvor miniaturiseringsteknikker har ført til skabelsen af ​​smartphones og fleksible skærme, der revolutionerer feltet.

Udfordringen for Cambridge-forskerne var, hvordan man deponerer lysabsorbenter på lette substrater og beskytter dem mod vandinfiltration. For at overvinde disse udfordringer har teamet tyndfilm metaloxider og materialer kendt som perovskiter, som kan coates på fleksible plast- og metalfolier. Enhederne var dækket af mikrometer tynde, vandafvisende kulstofbaserede lag, der forhindrede fugtnedbrydning. De endte med en enhed, der ikke kun virker, men også ligner et rigtigt blad.

"Denne undersøgelse viser, at kunstige blade er kompatible med moderne fremstillingsteknikker, hvilket repræsenterer et tidligt skridt i retning af automatisering og opskalering af solbrændstofproduktion," sagde Andrei. "Disse blade kombinerer fordelene ved de fleste solbrændstofteknologier, da de opnår den lave vægt af pulversuspensioner og den høje ydeevne af kablede systemer."

Test af de nye kunstige blade viste, at de kan spalte vand til brint og ilt eller reducere CO₂ til syngas. Selvom der skal foretages yderligere forbedringer, før de er klar til kommercielle anvendelser, siger forskerne, at denne udvikling åbner helt nye veje i deres arbejde.

"Solarfarme er blevet populære til elproduktion; vi forestiller os lignende farme til brændstofsyntese," sagde Andrei. "Disse kunne forsyne kystbebyggelser, fjerntliggende øer, dække industrielle damme eller undgå vandfordampning fra kunstvandingskanaler."

"Mange vedvarende energiteknologier, herunder solbrændselsteknologier, kan optage store mængder plads på landjorden, så flytning af produktion til åbent vand ville betyde, at ren energi og arealanvendelse ikke konkurrerer med hinanden," sagde Reisner. "I teorien kunne du rulle disse enheder sammen og placere dem næsten hvor som helst, i næsten ethvert land, hvilket også ville hjælpe med energisikkerhed." + Udforsk yderligere

Solpixel, der er rigeligt af jord, producerer brint i uger