Le piante convertono la luce solare in energia attraverso la fotosintesi. Possiamo fare lo stesso? iStockphoto.com/ooyoo Se la fonte di energia più intelligente è abbondante, economico e pulito, allora le piante sono molto più intelligenti degli umani. Nel corso di miliardi di anni, hanno sviluppato forse l'alimentatore più efficiente al mondo: fotosintesi , o la conversione della luce solare, anidride carbonica e acqua in combustibile utilizzabile, emettendo ossigeno utile nel processo.
Nel caso delle piante (oltre che delle alghe e di alcuni batteri), "combustibile utilizzabile" sono i carboidrati, proteine e grassi. umani, d'altra parte, cercano carburante liquido per alimentare le auto e l'elettricità per far funzionare i frigoriferi. Ma questo non significa che non possiamo guardare alla fotosintesi per risolvere il nostro sporco-, caro-, problemi di energia in diminuzione. Per anni, gli scienziati hanno cercato di trovare un modo per utilizzare lo stesso sistema energetico utilizzato dalle piante, ma con un output finale alterato.
Usando nient'altro che la luce del sole come input di energia, gli impianti effettuano massicce conversioni di energia, svolta 1, 102 miliardi di tonnellate (1, 000 miliardi di tonnellate) di CO 2 in materia organica, cioè., energia per gli animali sotto forma di cibo, ogni anno [fonte:Hunter]. E questo usa solo il 3% della luce solare che raggiunge la Terra [fonte:Boyd].
L'energia disponibile alla luce del sole è una risorsa non sfruttata su cui abbiamo appena iniziato a fare i conti. L'attuale tecnologia delle celle fotovoltaiche, tipicamente un sistema basato su semiconduttori, è costoso, non molto efficiente, e solo le conversioni istantanee dalla luce solare all'elettricità:l'energia prodotta non viene immagazzinata per un giorno di pioggia (anche se potrebbe cambiare:vedi "C'è un modo per ottenere energia solare di notte?"). Ma un sistema di fotosintesi artificiale o una cella fotoelettrochimica che imita ciò che accade nelle piante potrebbe potenzialmente creare un infinito, fornitura relativamente economica di tutto il "gas" pulito e l'elettricità di cui abbiamo bisogno per alimentare le nostre vite - e in una forma immagazzinabile, pure.
In questo articolo, esamineremo la fotosintesi artificiale e vedremo a che punto è arrivata. Scopriremo cosa deve essere in grado di fare il sistema, dai un'occhiata ad alcuni metodi attuali per ottenere la fotosintesi artificiale e scopri perché non è facile da progettare come altri sistemi di conversione dell'energia.
Così, cosa deve essere in grado di fare un sistema di fotosintesi artificiale?
Contenuti
Per ricreare la fotosintesi che le piante hanno perfezionato, un sistema di conversione dell'energia deve essere in grado di fare due cose cruciali (probabilmente all'interno di un qualche tipo di nanotubo che funge da "foglia" strutturale):raccogliere la luce solare e dividere le molecole d'acqua.
Le piante svolgono questi compiti utilizzando la clorofilla, che cattura la luce del sole, e un insieme di proteine ed enzimi che usano quella luce solare per scomporre H 2 O molecole in idrogeno, elettroni e ossigeno (protoni). Gli elettroni e l'idrogeno vengono quindi utilizzati per trasformare la CO 2 in carboidrati, e l'ossigeno viene espulso.
Affinché un sistema artificiale funzioni per i bisogni umani, l'uscita deve cambiare. Invece di rilasciare solo ossigeno alla fine della reazione, dovrebbe rilasciare anche idrogeno liquido (o forse metanolo). Quell'idrogeno potrebbe essere utilizzato direttamente come combustibile liquido o incanalato in una cella a combustibile. Ottenere il processo per produrre idrogeno non è un problema, poiché è già presente nelle molecole d'acqua. E catturare la luce del sole non è un problema:gli attuali sistemi di energia solare lo fanno.
La parte difficile è scindere le molecole d'acqua per ottenere gli elettroni necessari per facilitare il processo chimico che produce l'idrogeno. La scissione dell'acqua richiede un apporto energetico di circa 2,5 volt [fonte:Hunter]. Ciò significa che il processo richiede un catalizzatore, qualcosa per far muovere l'intera cosa. Il catalizzatore reagisce con i fotoni del sole per avviare una reazione chimica.
Ci sono stati importanti progressi in questo settore negli ultimi cinque o dieci anni. Alcuni dei catalizzatori di maggior successo includono:
Una volta perfezionato, questi sistemi potrebbero cambiare il modo in cui alimentiamo il nostro mondo.
Lo scienziato del NREL John Turner dimostra la capacità di una cella fotoelettrochimica (PEC) di produrre idrogeno dall'acqua utilizzando l'energia proveniente da una fonte di luce. Immagine per gentile concessione di Warren Gretz, Laboratorio Nazionale Energie Rinnovabili I combustibili fossili scarseggiano, e stanno contribuendo all'inquinamento e al riscaldamento globale. Carbone, mentre abbondante, è altamente inquinante sia per il corpo umano che per l'ambiente. Le turbine eoliche danneggiano paesaggi pittoreschi, il mais richiede enormi tratti di terreno agricolo e l'attuale tecnologia delle celle solari è costosa e inefficiente. La fotosintesi artificiale potrebbe offrire un nuovo, forse la via d'uscita ideale dalla nostra situazione energetica.
Per una cosa, ha vantaggi rispetto alle celle fotovoltaiche, trovato nei pannelli solari di oggi. La conversione diretta della luce solare in elettricità nelle celle fotovoltaiche rende l'energia solare un'energia dipendente dalle condizioni meteorologiche e dal tempo, che ne diminuisce l'utilità e ne aumenta il prezzo. fotosintesi artificiale, d'altra parte, potrebbe produrre un combustibile immagazzinabile.
E a differenza della maggior parte dei metodi per generare energia alternativa, la fotosintesi artificiale ha il potenziale per produrre più di un tipo di combustibile. Il processo fotosintetico potrebbe essere ottimizzato in modo che le reazioni tra luce, CO 2 e H 2 O alla fine producono idrogeno liquido. L'idrogeno liquido può essere utilizzato come la benzina nei motori a idrogeno. Potrebbe anche essere incanalato in una configurazione a celle a combustibile, che invertirebbe efficacemente il processo di fotosintesi, creando elettricità combinando idrogeno e ossigeno in acqua. Le celle a combustibile a idrogeno possono generare elettricità come quella che otteniamo dalla rete, quindi lo useremmo per far funzionare l'aria condizionata e gli scaldabagni.
Un problema attuale con l'energia dell'idrogeno su larga scala è la questione di come generare idrogeno liquido in modo efficiente e pulito. La fotosintesi artificiale potrebbe essere una soluzione.
Il metanolo è un altro possibile output. Invece di emettere idrogeno puro nel processo di fotosintesi, la cella fotoelettrochimica potrebbe generare combustibile metanolo (CH 3 OH). metanolo, o alcool metilico, è tipicamente derivato dal metano nel gas naturale, ed è spesso aggiunto alla benzina commerciale per farla bruciare in modo più pulito. Alcune auto possono persino funzionare con il solo metanolo.
La capacità di produrre un combustibile pulito senza generare sottoprodotti nocivi, come i gas serra, rende la fotosintesi artificiale una fonte di energia ideale per l'ambiente. Non richiederebbe l'estrazione mineraria, crescere o perforare. E poiché attualmente né l'acqua né l'anidride carbonica scarseggiano, potrebbe anche essere una fonte illimitata, potenzialmente meno costoso di altre forme di energia nel lungo periodo. Infatti, questo tipo di reazione fotoelettrochimica potrebbe rimuovere anche grandi quantità di CO . nociva 2 dall'aria nel processo di produzione di carburante. È una situazione vantaggiosa per tutti.
Ma non ci siamo ancora. Ci sono diversi ostacoli nel modo di usare la fotosintesi artificiale su larga scala.
La natura ha perfezionato il processo di fotosintesi per miliardi di anni. Non sarà facile replicarlo in un sistema sintetico. iStockphoto.com/Zemdega Mentre la fotosintesi artificiale funziona in laboratorio, non è pronto per il consumo di massa. Replicare ciò che accade naturalmente nelle piante verdi non è un compito semplice.
L'efficienza è fondamentale nella produzione di energia. Le piante hanno impiegato miliardi di anni per sviluppare il processo di fotosintesi che funziona in modo efficiente per loro; replicarlo in un sistema sintetico richiede molti tentativi ed errori.
Il manganese che funge da catalizzatore nelle piante non funziona altrettanto bene in una configurazione artificiale, soprattutto perché il manganese è alquanto instabile. Non dura particolarmente a lungo, e non si dissolverà nell'acqua, rendendo un sistema a base di manganese alquanto inefficiente e poco pratico. L'altro grande ostacolo è che la geometria molecolare nelle piante è straordinariamente complessa ed esatta:la maggior parte delle configurazioni create dall'uomo non può replicare quel livello di complessità.
La stabilità è un problema in molti potenziali sistemi di fotosintesi. I catalizzatori organici spesso si degradano, oppure innescano ulteriori reazioni che possono danneggiare il funzionamento della cellula. I catalizzatori inorganici di ossido di metallo sono una buona possibilità, ma devono funzionare abbastanza velocemente per fare un uso efficiente dei fotoni che si riversano nel sistema. Quel tipo di velocità catalitica è difficile da trovare. E alcuni ossidi metallici che hanno la velocità mancano in un'altra area:abbondanza.
Nelle attuali cellule sensibilizzate al colorante, il problema non è il catalizzatore; Invece, è la soluzione elettrolitica che assorbe i protoni dalle molecole d'acqua scisse. È una parte essenziale della cellula, ma è fatto di solventi volatili che possono erodere altri componenti del sistema.
I progressi degli ultimi anni stanno iniziando ad affrontare questi problemi. L'ossido di cobalto è uno stabile, ossido di metallo veloce e abbondante. I ricercatori nelle celle sensibilizzate al colorante hanno escogitato una soluzione non a base di solventi per sostituire la sostanza corrosiva.
La ricerca sulla fotosintesi artificiale sta prendendo piede, ma non lascerà il laboratorio tanto presto. Ci vorranno almeno 10 anni prima che questo tipo di sistema diventi realtà [fonte:Boyd]. E questa è una stima piuttosto promettente. Alcune persone non sono sicure che accadrà mai. Ancora, chi può resistere alla speranza di piante artificiali che si comportano come quelle vere?
