Fotosentez: bu gezegendeki yaşam için temel mekanizma, GCSE biyoloji öğrencilerinin belası ve şimdi iklim değişikliğiyle mücadele için potansiyel bir yol. Bilim adamları, bitkilerin CO2 ve suyu yakıt olarak kullanabileceğimiz bir şeye dönüştürmek için güneş ışığını nasıl kullandığını taklit eden yapay bir yöntem geliştirmek için çok çalışıyorlar. İşe yararsa, bizim için bir kazan-kazan senaryosu olacak: sadece bu şekilde üretilen yenilenebilir enerjiden faydalanmakla kalmayacak, aynı zamanda atmosferdeki CO2 seviyelerini düşürmenin de önemli bir yolu olabilir.
Bununla birlikte, bitkilerin fotosentez geliştirmesi milyarlarca yıl aldı ve doğada olanları kopyalamak her zaman kolay bir iş değil. Şu anda yapay fotosentezdeki temel adımlar çalışıyor, ancak çok verimli değil. İyi haber şu ki, bu alandaki araştırmalar hız kazanıyor ve dünya çapında bu bütünleşik süreçten yararlanmak için adımlar atan gruplar var.
İki aşamalı fotosentez
Fotosentez sadece güneş ışığını yakalamakla ilgili değildir. Sıcak güneşte banyo yapan bir kertenkele bunu yapabilir. Fotosentez, bu enerjiyi ("foto" biti) yakalayıp depolamanın ve karbonhidratlara dönüştürmenin ("sentez" biti) bir yolu olarak bitkilerde gelişti. Bitkiler, CO2'yi kompleks karbonhidratlara dönüştürmek için kullanılan elektronları serbest bırakmak için güneş ışığı tarafından desteklenen bir dizi protein ve enzim kullanır. Temel olarak, yapay fotosentez aynı adımları takip eder.
Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Bölümü'nde doktora adayı olan Phil De Luna, "Doğal karbon döngüsünün bir parçası olan doğal fotosentezde, bitkiye giren ışık, CO2 ve su var ve bitki şeker üretiyor" diye açıklıyor. Toronto Üniversitesi. “Yapay fotosentezde inorganik cihazlar ve malzemeler kullanıyoruz. Gerçek güneş hasadı kısmı, güneş pilleri tarafından yapılır ve enerji dönüşümü kısmı, elektrokimyasal [mevcudiyetinde reaksiyonlar] katalizörler tarafından yapılır.
Bu süreçle gerçekten çekici olan şey, uzun vadeli enerji depolaması için yakıt üretme yeteneğidir. Bu, gelişen pil teknolojisiyle bile mevcut yenilenebilir enerji kaynaklarının yapabileceğinden çok daha fazlası. Güneş dışarıda değilse veya rüzgarlı bir gün değilse, örneğin güneş panelleri ve rüzgar çiftlikleri üretimi durdurur. De Luna, "Uzun süreli mevsimsel depolama ve karmaşık yakıtlarda depolama için daha iyi bir çözüme ihtiyacımız var" diyor. "Piller günlük kullanım, telefonlar ve hatta arabalar için harika, ancak bir [Boeing] 747'yi asla pille çalıştırmayacağız."
Çözülmesi gereken zorluklar
Yapay fotosentez sürecindeki ilk adım olan güneş pilleri oluşturmaya gelince, halihazırda teknolojiye sahibiz: güneş enerjisi sistemleri. Bununla birlikte, tipik olarak yarı iletken tabanlı sistemler olan mevcut fotovoltaik paneller, doğaya kıyasla nispeten pahalı ve verimsizdir. Yeni bir teknolojiye ihtiyaç var; çok daha az enerji harcayan biri.
Atlanta Georgia State Üniversitesi'nden Gary Hastings ve ekibi, bitkilerdeki orijinal sürece bakarken bir başlangıç noktası bulmuş olabilir. Fotosentezde kritik nokta, elektronları hücre içinde belirli bir mesafe boyunca hareket ettirmektir. Çok basit bir ifadeyle, daha sonra enerjiye dönüştürülen güneş ışığının neden olduğu bu harekettir. Hastings, bu elektronların orijinal konumlarına geri dönememeleri nedeniyle sürecin doğada çok verimli olduğunu gösterdi: "Elektron geldiği yere geri dönerse, güneş enerjisi kaybolur." Bu olasılık bitkilerde nadir olmakla birlikte, güneş panellerinde oldukça sık meydana gelir ve neden gerçek olandan daha az verimli olduklarını açıklar.
Hastings, bu “araştırmanın kimyasal veya yakıt üretimiyle ilgili güneş pili teknolojilerini ilerleteceğine” inanıyor, ancak bunun şu anda sadece bir fikir olduğunu ve bu ilerlemenin yakın zamanda gerçekleşmesinin pek mümkün olmadığını belirtmekte gecikmedi. "Bu fikirlere dayalı olarak tasarlanan tamamen yapay bir güneş pili teknolojisinin üretimi açısından, teknolojinin gelecekte çok daha ileride olduğuna inanıyorum, muhtemelen önümüzdeki beş yıl içinde bir prototip için bile değil."
Araştırmacıların çözmeye yakın olduğuna inandıkları bir sorun, süreçteki ikinci adımı içeriyor: CO2'yi yakıta dönüştürmek. Bu molekül çok kararlı olduğundan ve onu kırmak için inanılmaz miktarda enerji gerektiğinden, yapay sistem gereken enerjiyi azaltmak ve reaksiyonu hızlandırmak için katalizörler kullanır. Ancak bu yaklaşım kendi problemlerini de beraberinde getirmektedir. Son on yılda manganez, titanyum ve kobalttan yapılan katalizörlerle birçok girişimde bulunuldu, ancak uzun süreli kullanım bir sorun olduğunu kanıtladı. Teori iyi görünebilir, ancak birkaç saat sonra çalışmayı bırakırlar, kararsız hale gelirler, yavaşlarlar veya hücreye zarar verebilecek diğer kimyasal reaksiyonları tetiklerler.
Ancak Kanadalı ve Çinli araştırmacılar arasındaki bir işbirliği büyük ikramiyeyi vurmuş gibi görünüyor. Nikel, demir, kobalt ve fosforu nötr bir pH'ta çalışacak şekilde birleştirmenin bir yolunu buldular, bu da sistemi çalıştırmayı önemli ölçüde kolaylaştırıyor. Bo Zhang, "Katalizörümüz CO2 azaltımı için gerekli olan nötr pH elektrolitinde iyi çalışabildiğinden, [a] membransız sistemde CO2 azaltımının elektrolizini çalıştırabiliriz ve bu nedenle voltaj düşürülebilir", diyor Bo Zhang. Çin Fudan Üniversitesi Makromoleküler Bilim Bölümü. Etkileyici bir %64 elektrik-kimyasal güç dönüşümü ile ekip artık yapay fotosentez sistemleri için en yüksek verimliliğe sahip rekor sahibidir.
“Şu anda sahip olduğumuz şeyle ilgili en büyük sorun ölçek”
Ekip, çabaları için NRG COSIA Carbon XPRIZE'da yarı finale ulaştı ve bu da araştırmaları için onlara 20 milyon dolar kazandırabilirdi. Amaç, “elektrik santralleri ve endüstriyel tesislerden kaynaklanan CO2 emisyonlarını değerli ürünlere dönüştürecek çığır açan teknolojiler geliştirmek” ve geliştirdikleri yapay fotosentez sistemleri ile iyi bir şansa sahipler.
Bir sonraki zorluk ölçek büyütmek. “Şu anda sahip olduğumuz şeyle ilgili en büyük sorun ölçek. Zhang'ın çalışmasına da dahil olan De Luna, ölçeği büyüttüğümüzde verimliliği kaybediyoruz" diyor. Neyse ki, araştırmacılar iyileştirme listelerini tüketmediler ve şimdi farklı kompozisyonlar ve farklı konfigürasyonlar aracılığıyla katalizörleri daha verimli hale getirmeye çalışıyorlar.
İki cephede kazanmak
Hem kısa hem de uzun vadede kesinlikle iyileştirme için yer var, ancak çoğu yapay fotosentezin gelecek için temiz ve sürdürülebilir bir teknoloji olarak önemli bir araç olma potansiyeline sahip olduğunu düşünüyor.
"İnanılmaz derecede heyecan verici çünkü saha çok hızlı hareket ediyor. Ticarileştirme açısından, devrilme noktasındayız” diyen De Luna, bunun işe yarayıp yaramadığının “kamu politikası ve endüstrinin yenilenebilir enerji teknolojisini kabul etmesini içeren birçok faktöre bağlı olacağını” sözlerine ekledi. ”
O halde bilimi doğru yapmak gerçekten sadece ilk adımdır. Hastings ve Zhang gibi kişilerin araştırmalarının ardından, yapay fotosentezi yenilenebilir enerji konusundaki küresel stratejimize dahil etmek için çok önemli bir hamle gelecek. Bahisler yüksek. Başarılı olursa, sadece yakıt ve kimyasal ürünler üretmekle kalmayıp aynı zamanda süreçteki karbon ayak izimizi de azaltmak için iki cephede kazanmaya devam edeceğiz.
