2

Обновленный фотосинтез

ПАСАДЕНА – На протяжении десятилетий развитие возобновляемых источников энергии ‑ и окружающие его политические дебаты ‑ в основном были сосредоточены на производстве электроэнергии. Однако более 60% используемой в мире энергии обеспечивается за счет химического (в основном сжигаемого) топлива, без промежуточного преобразования в электричество. Ни одно реальное усилие по борьбе с глобальным потеплением при помощи снижения выбросов углекислого газа не может игнорировать данное фундаментальное ограничение.

Действительно, в США и других промышленно развитых странах множество прикладных областей, использующих ископаемое топливо (например, воздушный транспорт или производство алюминия) не может быть переведено на использование электрической энергии. Более того, ископаемые виды топлива необходимы для производства электроэнергии, причем как для удовлетворения спроса, так и для компенсации прерывистости систем возобновляемых источников энергии, таких как ветер или солнечная энергия. Существует ли реально масштабируемая низко-углеродная альтернатива?

Chicago Pollution

Climate Change in the Trumpocene Age

Bo Lidegaard argues that the US president-elect’s ability to derail global progress toward a green economy is more limited than many believe.

Одним из перспективных подходов является искусственный фотосинтез, который используе�� небиологические материалы для производства топлива непосредственно из солнечного света. Солнце является почти неисчерпаемым источником энергии, а хранение энергии в виде химических связей ‑ как и в случае с ископаемыми видами топлива ‑ является доступным, эффективным и удобным. Искусственный фотосинтез сочетает в себе эти функции в жизнеспособной технологии, которая обещает энергетическую безопасность, экологическую устойчивость и экономическую стабильность.

Обеспечивая сложную, элегантную основу для производства химического топлива из солнечного света, природный фотосинтез в то же время имеет серьезные ограничения в производительности. Используется только приблизительно одна десятая пиковой солнечной энергии; годовая эффективность энергетического преобразования составляет менее 1%; значительное количество энергии расходуется на внутренние цели для регенерации и поддержки тонкого молекулярного механизма фотосинтеза; энергия запасается в химическом топливе, несовместимом с существующими энергетическими системами.

Тем не менее, искусственный фотосинтез, вдохновленный своим природным вариантом, продемонстрировал потенциал для куда большей производительности и обеспечивает получение энергии в форме, которая может быть использована в нашей текущей инфраструктуре. Кроме того, абсолютно искусственная система не требует использования пахотных земель или питьевой воды, а также не заставляет делать выбор в землепользовании между производством топлива и продовольствия.

Существующие энергетические технологии уже могут быть объединены для эффективного, хотя и непрямого создания химического топлива из солнечного света, однако до сих пор еще не существовало такой конфигурации, которая являлась бы одновременно практической, масштабируемой и экономически целесообразной. Кроме того, общая эффективность полностью интегрированной энергетической системы преобразования энергии солнца в топливо может быть в десять раз больше, чем у наиболее энергоэффективных биологических систем, но в то же время капитальные затраты на ее коммерческое внедрение слишком высоки. Поэтому главным приоритетом исследователей должна быть разработка генератора топлива на солнечной энергии, который сочетает в себе экономическое масштабирование, надежность и эффективность.

Ключ к созданию такой системы заключается в широко распространенных в земле материалах, которые могут выполнять важные функции поглощения света и облегчения формирования химической реакции формирования топлива. Аналогично тому, как хлорофилл служит для поглощения света в процессе природного фотосинтеза, искусственным системам необходимы подходящие материалы для захвата и преобразования солнечного света. Несмотря на то что светопоглощающие свойства кремния подходят для фотоэлектрических устройств, генерируемое им напряжение почти в 0,5 вольт слишком слабо для расщепления воды в генераторе топлива с помощью солнечного света.

Искусственная система также нуждается в катализаторах для обеспечения эффективного производства химического топлива. Эти катализаторы должны быть очень активными, стабильными, а также, для обеспечения глобальной устойчивости, они должны состоять из элементов, широко распространенных в земле, таких как железо, никель или кобальт, а не из дефицитных металлов, которые используются на данный момент, таких как рутений или иридий.

Кроме того, компоненты системы должны быть объединены таким образом, чтобы гарантировать, что все они оптимально функционируют под общим набором условий эксплуатации. Развертываемая система также должна включать в себя экономически эффективные архитектуры, производственные процессы и способы установки.

Что наиболее важно, такие системы должны быть безопасны в эксплуатации. В большинстве реализаций искусственного фотосинтеза богатые энергией виды топлива производятся вместе с кислородом, создавая опасные взрывчатые смеси. Должны быть разработаны мембраны или другие физические и химические барьеры, чтобы надежно изолировать эти продукты друг от друга. Такие разделения также устранят необходимость в сложном периферийном оборудовании для обработки, которое было бы необходимо использовать для разделения продуктов перед использованием в большинстве применений.

Так как же будут выглядеть системы искусственного фотосинтеза? Образцом является, скорее, не солнечная панель, подсоединенная к электролизной установке, а тонкий многослойный рулон со слоями, напоминающими пластик, который можно сравнить с высококачественными тканями, используемыми в дождевиках, которые могут раскрываться по мере необходимости. Верхний слой материала будет поглощать воду и двуокись углерода из воздуха, а следующий, светопоглощающий слой, будет использовать солнечную энергию для получения топлива. Благодаря разделяющей мембране топливо не будет выбрасываться в воздух ‑ через капилляры в нижней части материала оно будет попадать с борный резервуар и использоваться по требованию в существующей инфраструктуре энергоснабжения.

Fake news or real views Learn More

В идеале, создание топлива с помощью солнечного света должно обеспечивать гибкость в плане типов химического топлива, которые будут производиться с помощью солнечного света. В простейшем воплощении вода расщепляется на водород и кислород. Водород может быть преобразован в жидкое топливо, например через повышение качества биотоплива, либо же он может быть подвергнут взаимодействию с диоксидом углерода из дымовых газов или еще каким-либо образом обработан для получения жидкого топлива, подходящего для применения в транспорте. Или же катализаторы, также как и в естественных фотосинтетических системах, могли бы непосредственно восстанавливать диоксид углерода, в данном случае преобразовывая его в метанол или метан. Наиболее эффективные системы смогли бы предложить производство как газообразного, так и жидкого топлива.

Последние достижения в области нанонауки и материаловедения, химии и физики предоставили инструменты, необходимые для быстрого прогресса в данной области. Конечным выигрышем является технология по производству чистой энергии, которая находится в пределах досягаемости и может послужить основой для безопасной, надежной и устойчивой энергетики будущего.