Sådan fungerer kunstig fotosyntese

Hvis den smarteste energikilde er en rigelig, billigt og rent, så er planter meget klogere end mennesker. Over milliarder af år, de udviklede måske den mest effektive strømforsyning i verden: fotosyntese , eller omdannelse af sollys, kuldioxid og vand til brugbart brændstof, udsender nyttig ilt i processen.

I tilfælde af planter (samt alger og nogle bakterier), "brugbart brændstof" er kulhydrater, proteiner og fedtstoffer. Mennesker, på den anden side, leder efter flydende brændstof til at drive biler og elektricitet til at drive køleskabe. Men det betyder ikke, at vi ikke kan se til fotosyntese for at løse vores beskidte-, dyrt-, svindende energi-elendigheder. Årevis, forskere har forsøgt at finde på en måde at bruge det samme energisystem, som planter gør, men med en ændret slutproduktion.

Brug kun sollys som energiindgang, anlæg udfører massive energiomdannelser, vender 1, 102 milliarder tons (1, 000 milliarder tons) CO ₂ til organisk stof, dvs. energi til dyr i form af mad, hvert år [kilde:Hunter]. Og det er kun ved at bruge 3 procent af sollyset, der når Jorden [kilde:Boyd].

Den energi, der er tilgængelig i sollys, er en uudnyttet ressource, vi kun er begyndt at få styr på. Nuværende solcelleteknologi, typisk et halvlederbaseret system, er dyrt, ikke særlig effektiv, og gør kun øjeblikkelige konverteringer fra sollys til elektricitet - energiproduktionen lagres ikke i en regnvejrsdag (selvom det kan ændre sig:Se "Er der en måde at få solenergi om natten?"). Men et kunstigt fotosyntesesystem eller en fotoelektrokemisk celle, der efterligner, hvad der sker i planter, kan potentielt skabe en endeløs, relativt billig levering af al den rene "gas" og elektricitet, vi har brug for for at drive vores liv - og i en form, der kan opbevares, også.

I denne artikel, vi vil se på kunstig fotosyntese og se, hvor langt det er nået. Vi finder ud af, hvad systemet skal kunne tjek nogle aktuelle metoder til at opnå kunstig fotosyntese og se, hvorfor det ikke er så let at designe som nogle andre energiomdannelsessystemer.

Så, hvad skal et kunstigt fotosyntesesystem kunne gøre?

1. Kunstige fotosyntesemetoder
2. Kunstige fotosyntese applikationer
3. Udfordringer i at skabe kunstig fotosyntese

Kunstige fotosyntesemetoder

For at genskabe den fotosyntese, som planter har perfektioneret, et energiomdannelsessystem skal være i stand til at gøre to afgørende ting (sandsynligvis inde i en form for nanorør, der fungerer som det strukturelle "blad"):høste sollys og splitte vandmolekyler.

Planter udfører disse opgaver ved hjælp af klorofyl, som fanger sollys, og en samling af proteiner og enzymer, der bruger det sollys til at nedbryde H ₂ O -molekyler til brint, elektroner og ilt (protoner). Elektronerne og hydrogen bruges derefter til at dreje CO ₂ til kulhydrater, og ilten udvises.

For at et kunstigt system fungerer til menneskelige behov, output skal ændres. I stedet for kun at frigive ilt ved slutningen af ​​reaktionen, det skulle også frigive flydende brint (eller måske methanol). At brint kunne bruges direkte som flydende brændstof eller kanaliseres ind i en brændselscelle. At få processen til at producere brint er ikke et problem, da den allerede er der i vandmolekylerne. Og at fange sollys er ikke et problem-det gør nuværende solenergisystemer.

Den hårde del er at splitte vandmolekylerne for at få elektronerne nødvendige for at lette den kemiske proces, der producerer brintet. Opdeling af vand kræver en energiindgang på cirka 2,5 volt [kilde:Hunter]. Det betyder, at processen kræver en katalysator - noget for at få det hele i gang. Katalysatoren reagerer med solens fotoner for at starte en kemisk reaktion.

Der har været vigtige fremskridt på dette område i de sidste fem eller 10 år. Et par af de mere succesrige katalysatorer omfatter:

• Mangan :Mangan er katalysatoren, der findes i den fotosyntetiske kerne af planter. Et enkelt manganatom udløser den naturlige proces, der bruger sollys til at splitte vand. Brug af mangan i et kunstigt system er en biomimetrisk tilgang - det efterligner direkte den biologi, der findes i planter.
• Farvesensibiliseret titandioxid :Titandioxid (TiO ₂ ) er et stabilt metal, der kan fungere som en effektiv katalysator. Det bruges i en farvesensitiveret solcelle, også kendt som en Graetzel -celle, som har eksisteret siden 1990'erne. I en Graetzel -celle, TiO ₂ er suspenderet i et lag farvestofpartikler, der fanger sollyset og derefter udsætter det for TiO ₂ at starte reaktionen.
• Koboltoxid :En af de nyligt opdagede katalysatorer, klynger af koboltoxidmolekyler i nano-størrelse (CoO) har vist sig at være stabile og yderst effektive udløsere i et kunstigt fotosyntesesystem. Koboltoxid er også et meget rigeligt molekyle - det er i øjeblikket en populær industriel katalysator.

Når det er perfektioneret, disse systemer kan ændre den måde, vi driver vores verden på.

Kunstige fotosyntese applikationer

Fossile brændstoffer er en mangelvare, og de bidrager til forurening og global opvarmning. Kul, mens den er rigelig, er meget forurenende for både menneskelige kroppe og miljøet. Vindmøller gør ondt i maleriske landskaber, majs kræver enorme landbrugsjord, og den nuværende solcelleteknologi er dyr og ineffektiv. Kunstig fotosyntese kunne tilbyde en ny, muligvis ideel vej ud af vores energibesvær.

For én ting, det har fordele i forhold til fotovoltaiske celler, findes i dagens solpaneler. Den direkte konvertering af sollys til elektricitet i fotovoltaiske celler gør solenergi til en vejr- og tidsafhængig energi, hvilket reducerer dets anvendelighed og øger prisen. Kunstig fotosyntese, på den anden side, kunne producere et brændstof, der kan opbevares.

Og i modsætning til de fleste metoder til at generere alternativ energi, kunstig fotosyntese har potentiale til at producere mere end én type brændstof. Den fotosyntetiske proces kunne finjusteres, så reaktionerne mellem lys, CO ₂ og H. ₂ O producerer i sidste ende flydende brint. Flydende brint kan bruges som benzin i brintdrevne motorer. Det kunne også trækkes ind i en brændselscelleopsætning, hvilket effektivt ville vende fotosynteseprocessen, skabe elektricitet ved at kombinere brint og ilt i vand. Brintbrændselsceller kan generere elektricitet som de ting, vi får fra nettet, så vi ville bruge det til at køre vores aircondition og vandvarmere.

Et aktuelt problem med storstilet hydrogenenergi er spørgsmålet om, hvordan man effektivt-og rent-genererer flydende brint. Kunstig fotosyntese kan være en løsning.

Methanol er en anden mulig effekt. I stedet for at udsende rent hydrogen i fotosynteseprocessen, den fotoelektrokemiske celle kunne generere methanolbrændstof (CH ₃ Åh). Methanol, eller methylalkohol, er typisk afledt af metanen i naturgas, og det tilføjes ofte til kommerciel benzin for at få det til at brænde mere rent. Nogle biler kan endda køre på methanol alene.

Evnen til at producere et rent brændstof uden at generere skadelige biprodukter, som drivhusgasser, gør kunstig fotosyntese til en ideel energikilde for miljøet. Det ville ikke kræve minedrift, dyrkning eller boring. Og da hverken vand eller kuldioxid i øjeblikket er mangelvare, det kan også være en ubegrænset kilde, potentielt billigere end andre energiformer på sigt. Faktisk, denne type fotoelektrokemisk reaktion kan endda fjerne store mængder skadeligt CO ₂ fra luften i processen med at producere brændstof. Det er en win-win situation.

Men vi er der ikke lige endnu. Der er flere forhindringer i vejen for at bruge kunstig fotosyntese i masseskala.

Udfordringer i at skabe kunstig fotosyntese

Mens kunstig fotosyntese fungerer i laboratoriet, den er ikke klar til masseforbrug. At replikere, hvad der sker naturligt i grønne planter, er ikke en simpel opgave.

Effektivitet er afgørende i energiproduktionen. Planter tog milliarder af år at udvikle fotosynteseprocessen, der fungerer effektivt for dem; replikere, at i et syntetisk system tager en masse forsøg og fejl.

Manganen, der fungerer som en katalysator i planter, fungerer ikke så godt i et menneskeskabt setup, mest fordi mangan er noget ustabil. Det holder ikke særlig længe, og det opløses ikke i vand, gør et manganbaseret system noget ineffektivt og upraktisk. Den anden store hindring er, at molekylærgeometrien i planter er ekstraordinært kompleks og præcis-de fleste menneskeskabte opsætninger kan ikke replikere det niveau af forvikling.

Stabilitet er et problem i mange potentielle fotosyntesesystemer. Organiske katalysatorer nedbrydes ofte, eller de udløser yderligere reaktioner, der kan beskadige cellens funktion. Uorganiske metaloxidkatalysatorer er en god mulighed, men de skal arbejde hurtigt nok til effektivt at udnytte fotoner, der strømmer ind i systemet. Den type katalytisk hastighed er svær at finde frem til. Og nogle metaloxider, der har hastigheden, mangler på et andet område - overflod.

I de nuværende state-of-the-art farvestofsensibiliserede celler, problemet er ikke katalysatoren; i stedet, det er elektrolytopløsningen, der absorberer protonerne fra de splittede vandmolekyler. Det er en væsentlig del af cellen, men den er lavet af flygtige opløsningsmidler, der kan ødelægge andre komponenter i systemet.

Fremskridt i de sidste par år er begyndt at løse disse spørgsmål. Koboltoxid er en stabil, hurtigt og rigeligt metaloxid. Forskere i farvesensibiliserede celler er kommet med en ikke-opløsningsmiddelbaseret løsning til at erstatte de ætsende ting.

Forskning i kunstig fotosyntese tager fart, men den forlader ikke laboratoriet inden længe. Det vil tage mindst 10 år, før denne type system er en realitet [kilde:Boyd]. Og det er et ret håbefuldt skøn. Nogle mennesker er ikke sikre på, at det nogensinde vil ske. Stadig, hvem kan modstå at håbe på kunstige planter, der opfører sig som den ægte vare?

Masser mere information

Relaterede HowStuffWorks -artikler

• Hvad er øko-plast?
• 5 måder naturinspireret teknologi
• Hvordan Living Billboards fungerer
• 5 grønne mobilapps

Kilder

• "Kunstig fotosyntese bevæger sig et skridt tættere." ScienceDaily. 26. marts 2008. http://www.sciencedaily.com/releases/2008/03/080325104519.htm
• "Kunstig fotosyntese:At vende sollys til flydende brændstoffer bevæger sig et skridt nærmere." ScienceDaily. 12. marts, 2009. http://www.sciencedaily.com/releases/2009/03/090311103646.htm
• Boyd, Robert S. "Forskere søger at lave energi, som planter gør." McClatchy. 23. oktober kl. 2008. http://www.mcclatchydc.com/homepage/story/54687.html
• "Gennembrud i effektivitet for farvestoffølsomme solceller." PhysOrg. 29. juni kl. 2008. http://www.physorg.com/news133964166.html
• Jæger, Philip. "Løftet om fotosyntese." Fremgangsblad. Energibulletin. 14. maj kl. 2004. http://www.energybulletin.net/node/317