Как Работи Изкуственият Фотосинтез

{h1}

Изкуствената фотосинтеза ни позволява да повторим едно от чудесата на природата. Посетете WordsSideKick.com, за да научите всичко за изкуствената фотосинтеза.

Ако най-интелигентният източник на енергия е този, който е изобилен, евтин и чист, тогава растенията са много по-умни от хората. За милиарди години те разработиха може би най-ефективното захранване в света: фотосинтезаили превръщането на слънчевата светлина, въглеродния диоксид и водата в използваемо гориво, отделяйки полезен кислород в процеса.

В случай на растения (както и водорасли и някои бактерии) „използваемо гориво“ са въглехидратите, протеините и мазнините. Хората, от друга страна, търсят течно гориво за захранване на автомобили и електричество, за да управляват хладилници. Но това не означава, че не можем да търсим фотосинтеза, за да разрешим нашите мръсни, скъпи, намаляващи енергийни неволи. От години учените се опитват да измислят начин да използват същата енергийна система, която правят растенията, но с променен краен изход.

Използвайки нищо друго освен слънчевата светлина като енергия, растенията извършват огромни енергийни преобразувания, превръщайки 1,102 милиарда тона (1000 милиарда тона) CO2 в органична материя, т.е. енергия за животни под формата на храна, всяка година [източник: Ловец]. И това използва само 3 процента от слънчевата светлина, която достига до Земята [източник: Бойд].

Енергията, налична при слънчевата светлина, е неизползван ресурс, който едва сега започнахме да се справяме. Настоящата фотоволтаична клетка технология, обикновено полупроводникова система, е скъпа, не е много ефикасна и извършва само моментални преобразувания от слънчева светлина в електричество - енергийната продукция не се съхранява за дъждовен ден (въпреки че това може да се променя: Вижте „Има ли начин да получите слънчева енергия през нощта?“). Но изкуствена система за фотосинтеза или фотоелектрохимична клетка, която имитира случващото се в растенията, потенциално би могла да създаде безкрайно, сравнително евтино снабдяване с всички чисти „газ“ и електричество, от които се нуждаем, за да захранваме живота си - и в съхранена форма.

В тази статия ще разгледаме изкуствената фотосинтеза и ще видим докъде стига. Ще разберем какво трябва да може да направи системата, ще разгледаме някои съвременни методи за постигане на изкуствена фотосинтеза и ще видим защо не е толкова лесно да се проектира, колкото някои други системи за преобразуване на енергия.

И така, какво трябва да може да направи изкуствена фотосинтезна система?

Как работи изкуственият фотосинтез: фотосинтеза

Изкуствен фотосинтез подходи

За да пресъздаде фотосинтеза, който растенията са усъвършенствали, една система за преобразуване на енергията трябва да може да направи две важни неща (вероятно вътре в някакъв вид нанотръба, която играе ролята на структурна "листа"): събиране на слънчева светлина и разцепване на водни молекули.

Растенията изпълняват тези задачи с помощта на хлорофил, който улавя слънчевата светлина, и колекция от протеини и ензими, които използват тази слънчева светлина за разграждане на Н2O молекули във водород, електрони и кислород (протони). След това електроните и водородът се използват за превръщане на СО2 във въглехидрати и кислородът се изхвърля.

За да може изкуствената система да работи за човешките нужди, продукцията трябва да се промени. Вместо да отделя само кислород в края на реакцията, той ще трябва да отдели и течен водород (или може би метанол). Този водород може да се използва директно като течно гориво или да се насочва в горивна клетка. Получаването на процеса за производство на водород не е проблем, тъй като той вече е там във водните молекули. И улавянето на слънчевата светлина не е проблем - сегашните системи за слънчева енергия правят това.

Трудната част е разделянето на водните молекули, за да се получат електроните, необходими за улесняване на химичния процес, който произвежда водорода. Разделянето на водата изисква влага на енергия около 2,5 волта [източник: Хънтър]. Това означава, че процесът изисква катализатор - нещо, за да се движи цялата работа. Катализаторът реагира със слънчевите фотони, за да започне химическа реакция.

През последните пет или 10 години имаше значителен напредък в тази област. Някои от по-успешните катализатори включват:

  • манган: Манганът е катализаторът, който се намира във фотосинтетичната сърцевина на растенията. Един единствен атом на манган задейства естествения процес, който използва слънчева светлина за разделяне на водата. Използването на манган в изкуствена система е a биомиметричен подход - директно имитира биологията, открита в растенията.
  • Сенсибилизиран към боя титанов диоксид: Титанов диоксид (TiO2) е стабилен метал, който може да действа като ефективен катализатор. Използва се в сенсибилизирана към оцветители слънчева клетка, известна още като клетка Graetzel, която съществува от 90-те години. В клетка на Graetzel, TiO2 се суспендира в слой от багрилни частици, които улавят слънчевата светлина и след това я излагат на TiO2 за да започне реакцията.
  • Кобалтов оксид: Един от по-наскоро откритите катализатори, струпвания от наноразмерни молекули кобалт-оксид (CoO) са установени като стабилни и високоефективни задействащи механизми за изкуствена фотосинтеза. Кобалтовият оксид също е много изобилна молекула - в момента е популярен индустриален катализатор.

След като бъдат усъвършенствани, тези системи биха могли да променят начина, по който захранваме нашия свят.

Приложения за изкуствена фотосинтеза

Ученият от NREL Джон Търнър демонстрира способността на фотоелектрохимичната клетка (PEC) да произвежда водород от вода, използвайки енергия от светлинен източник.

Ученият от NREL Джон Търнър демонстрира способността на фотоелектрохимичната клетка (PEC) да произвежда водород от вода, използвайки енергия от светлинен източник.

Изкопаемите горива са в недостиг и допринасят за замърсяването и глобалното затопляне. Въглищата, макар и в изобилие, силно замърсяват както човешките тела, така и околната среда. Вятърните турбини нараняват живописните пейзажи, царевицата изисква огромни участъци от земеделските земи, а съвременните соларни клетки са скъпи и неефективни. Изкуствената фотосинтеза може да предложи нов, вероятно идеален изход от енергийното ни затруднение.

От една страна, той има предимства пред фотоволтаичните клетки, намиращи се в днешните слънчеви панели. Директното преобразуване на слънчевата светлина в електричество във фотоволтаичните клетки превръща слънчевата енергия в енергия, зависима от времето и времето, което намалява нейната полезност и увеличава цената. Изкуствената фотосинтеза, от друга страна, може да произведе гориво за съхранение.

И за разлика от повечето методи за генериране на алтернативна енергия, изкуственият фотосинтез има потенциал да произвежда повече от един вид гориво. Фотосинтетичният процес може да бъде изместен, така че реакциите между светлината, СО2 и Н2O в крайна сметка произвеждат течен водород. Течният водород може да се използва като бензин в двигатели с водород. Той би могъл също да бъде включен в настройка на горивни клетки, което ефективно би обърнало процеса на фотосинтеза, създавайки електричество чрез комбиниране на водород и кислород във вода. Водородните горивни клетки могат да генерират електричество като нещата, които получаваме от мрежата, така че бихме я използвали за стартиране на нашите климатици и бойлери.

Един от актуалните проблеми с мащабната водородна енергия е въпросът как ефикасно и чисто да се генерира течен водород. Изкуствената фотосинтеза може да бъде решение.

Метанолът е друг възможен изход. Вместо да отделя чист водород в процеса на фотосинтеза, фотоелектрохимичната клетка може да генерира метанолно гориво (СН3OH). Метанолът или метиловият алкохол обикновено се извлича от метана в природния газ и често се добавя към търговския бензин, за да го изгори по-чисто. Някои автомобили дори могат да работят само на метанол.

Способността да се произвежда чисто гориво без да се генерират вредни странични продукти, като парникови газове, прави изкуствената фотосинтеза идеален източник на енергия за околната среда. Това не изисква изкопаване, отглеждане или пробиване. И тъй като нито вода, нито въглероден диоксид понастоящем са в недостиг, той също може да бъде неограничен източник, потенциално по-евтин от другите енергийни форми в дългосрочен план. Всъщност този тип фотоелектрохимична реакция дори може да премахне големи количества вредни СО2 от въздуха в процеса на производство на гориво. Това е печеливша ситуация.

Но още не сме там. Има няколко препятствия в начина на използване на изкуствена фотосинтеза в масови мащаби.

Предизвикателства в създаването на изкуствена фотосинтеза

Природата усъвършенства процеса на фотосинтеза през милиарди години. Няма да е лесно да го възпроизведете в синтетична система.

Природата усъвършенства процеса на фотосинтеза през милиарди години. Няма да е лесно да го възпроизведете в синтетична система.

Докато изкуствената фотосинтеза работи в лабораторията, тя не е готова за масова консумация. Повтарянето на това, което се случва естествено в зелените растения, не е проста задача.

Ефективността е от решаващо значение при производството на енергия. Растенията отнеха милиарди години, за да развият процеса на фотосинтеза, който работи ефективно за тях; възпроизвеждане, че в синтетична система отнема много опити и грешки.

Манганът, който действа като катализатор в растенията, не работи толкова добре в създадена от човека инсталация, най-вече защото манганът е малко нестабилен. Не издържа особено дълго и няма да се разтвори във вода, което прави системата на базата на манган някак неефективна и непрактична. Другата голяма пречка е, че молекулярната геометрия в растенията е изключително сложна и точна - повечето създадени от човека инсталации не могат да повторят това ниво на сложност.

Стабилността е проблем в много потенциални системи за фотосинтеза. Органичните катализатори често се разграждат или предизвикват допълнителни реакции, които могат да повредят работата на клетката. Неорганичните метално-оксидни катализатори са добра възможност, но те трябва да работят достатъчно бързо, за да използват ефективно фотоните, изливащи се в системата. Трудно се постига този тип каталитична скорост. А някои метални оксиди, които имат скорост, липсват в друга област - изобилие.

В съвременните клетки, чувствителни към багрила, проблемът не е в катализатора; вместо това, електролитният разтвор абсорбира протоните от молекулите на разделената вода. Това е съществена част от клетката, но е направено от летливи разтворители, които могат да еродират други компоненти в системата.

Авансите в последните няколко години започват да решават тези проблеми. Кобалтовият оксид е стабилен, бърз и изобилен метален оксид. Изследователи в клетки, чувствителни към багрила, измислиха разтвор на базата на неразтворител, който да замести разяждащите вещества.

Изследванията в областта на изкуствената фотосинтеза набират пара, но скоро няма да напускат лабораторията. Ще минат поне 10 години, преди този тип система да стане реалност [източник: Бойд]. И това е доста надежда оценка. Някои хора не са сигурни, че това някога ще се случи. И все пак, кой може да устои на надеждата за изкуствени растения, които се държат като истинското нещо?


Видео Добавка: There's No Tomorrow (limits to growth & the future).




Изследване


Могат Ли Самолетите Да Летят Във Космическото Пространство?
Могат Ли Самолетите Да Летят Във Космическото Пространство?

Death Valley Разбива Рекорда За Най-Горещия Месец В Сащ
Death Valley Разбива Рекорда За Най-Горещия Месец В Сащ

Наука Новини


100-Крак „Борнео Чудовище“ Каза, Сниман
100-Крак „Борнео Чудовище“ Каза, Сниман

Открит Е Нов Източник За Студени, Дълбоки Антарктически Течения
Открит Е Нов Източник За Студени, Дълбоки Антарктически Течения

Затлъстяването Болест Ли Е? Дебатите На Лекарите
Затлъстяването Болест Ли Е? Дебатите На Лекарите

Изследовател Достига Най-Дълбоката Точка В Атлантическия Океан
Изследовател Достига Най-Дълбоката Точка В Атлантическия Океан

Trondo Storm Dando Хвърля Мозамбик
Trondo Storm Dando Хвърля Мозамбик


BG.WordsSideKick.com
Всички Права Запазени!
Възпроизвеждането На Използваните Материали Оставя Само Prostanovkoy Активна Връзка Към Сайта BG.WordsSideKick.com

© 2005–2019 BG.WordsSideKick.com