Fotosynthese: fundamenteel mechanisme voor het leven op deze planeet, plaag van GCSE-biologiestudenten en nu een mogelijke manier om klimaatverandering te bestrijden. Wetenschappers werken hard aan de ontwikkeling van een kunstmatige methode die nabootst hoe planten zonlicht gebruiken om CO2 en water om te zetten in iets dat we als brandstof kunnen gebruiken. Als het werkt, is het een win-winscenario voor ons: we profiteren niet alleen van hernieuwbare energie die op deze manier wordt geproduceerd, maar het kan ook een belangrijke manier worden om de CO2-niveaus in de atmosfeer te verminderen.
Het kostte planten echter miljarden jaren om fotosynthese te ontwikkelen, en het is niet altijd een gemakkelijke taak om te repliceren wat er in de natuur gebeurt. Op dit moment werken de basisstappen in kunstmatige fotosynthese, maar niet erg efficiënt. Het goede nieuws is dat het onderzoek op dit gebied in een stroomversnelling komt en dat er groepen over de hele wereld zijn die stappen ondernemen om dit integrale proces te benutten.
Tweestaps fotosynthese
Fotosynthese gaat niet alleen over het vastleggen van zonlicht. Een hagedis die in de warme zon baadt, kan dat. Fotosynthese ontwikkelde zich in planten als een manier om deze energie op te vangen en op te slaan (het fotobit) en om te zetten in koolhydraten (het synthesebit). Planten gebruiken een reeks eiwitten en enzymen die worden aangedreven door zonlicht om elektronen vrij te maken, die op hun beurt worden gebruikt om CO2 om te zetten in complexe koolhydraten. In principe volgt kunstmatige fotosynthese dezelfde stappen.
Zie gerelateerde lantaarnpalen in Londen worden omgezet in oplaadpunten Zonne-energie in het VK: hoe werkt zonne-energie en wat zijn de voordelen ervan?
Bij natuurlijke fotosynthese, die deel uitmaakt van de natuurlijke koolstofcyclus, gaan er licht, CO2 en water de plant in en maakt de plant suiker, legt Phil De Luna uit, een promovendus werkzaam bij de afdeling Electrical and Computer Engineering aan de universiteit. van Toronto. Bij kunstmatige fotosynthese gebruiken we anorganische apparaten en materialen. Het eigenlijke deel van de zonne-oogst wordt gedaan door zonnecellen en het deel van de energieomzetting wordt gedaan door elektrochemische [reacties in aanwezigheid van] katalysatoren.
Wat bij dit proces echt aanspreekt, is de mogelijkheid om brandstof te produceren voor langdurige energieopslag. Dit is zoveel meer dan wat de huidige hernieuwbare energiebronnen kunnen, zelfs met opkomende batterijtechnologie. Als de zon niet schijnt of als het geen winderige dag is, stoppen zonnepanelen en windmolenparken bijvoorbeeld gewoon met produceren. Voor langdurige seizoensopslag en opslag in complexe brandstoffen hebben we een betere oplossing nodig, zegt De Luna. Batterijen zijn geweldig voor dagelijks gebruik, voor telefoons en zelfs voor auto's, maar we zullen nooit een [Boeing] 747 met een batterij laten werken.
Uitdagingen om op te lossen
Als het gaat om het maken van zonnecellen - de eerste stap in het proces van kunstmatige fotosynthese - hebben we de technologie al op zijn plaats: zonne-energiesystemen. De huidige fotovoltaïsche panelen, die typisch op halfgeleiders gebaseerde systemen zijn, zijn echter relatief duur en inefficiënt vergeleken met de natuur. Er is een nieuwe technologie nodig; een die veel minder energie verspilt.
Gary Hastings en zijn team uit Georgia State University, Atlanta , is misschien op een startpunt gestuit bij het kijken naar het oorspronkelijke proces in planten. Bij fotosynthese is het cruciale punt het verplaatsen van elektronen over een bepaalde afstand in de cel. In heel eenvoudige bewoordingen is het deze beweging veroorzaakt door zonlicht dat later wordt omgezet in energie. Hastings toonde aan dat het proces zeer efficiënt van aard is omdat deze elektronen niet terug kunnen naar hun oorspronkelijke positie: als het elektron teruggaat naar waar het vandaan kwam, gaat de zonne-energie verloren. Hoewel deze mogelijkheid zeldzaam is bij planten, komt het vrij vaak voor bij zonnepanelen, wat verklaart waarom ze minder efficiënt zijn dan het echte werk.
Hastings gelooft dat dit onderzoek waarschijnlijk de zonneceltechnologieën met betrekking tot de productie van chemicaliën of brandstof zal bevorderen, maar hij wijst er snel op dat dit op dit moment slechts een idee is en dat deze vooruitgang waarschijnlijk niet snel zal plaatsvinden. Wat betreft de fabricage van een volledig kunstmatige zonneceltechnologie die is ontworpen op basis van deze ideeën, denk ik dat de technologie verder weg is in de toekomst, waarschijnlijk niet binnen de komende vijf jaar, zelfs niet voor een prototype.
Een probleem waarvan onderzoekers denken dat we bijna een oplossing hebben, betreft de tweede stap in het proces: het omzetten van CO2 in brandstof. Omdat dit molecuul erg stabiel is en er ongelooflijk veel energie voor nodig is om het te breken, gebruikt het kunstmatige systeem katalysatoren om de benodigde energie te verlagen en de reactie te versnellen. Deze benadering brengt echter zijn eigen problemen met zich mee. Er zijn de afgelopen tien jaar veel pogingen gedaan met katalysatoren gemaakt van mangaan, titanium en kobalt, maar langdurig gebruik is een probleem gebleken. De theorie lijkt misschien goed, maar ze stoppen na een paar uur met werken, worden onstabiel, vertragen of veroorzaken andere chemische reacties die de cel kunnen beschadigen.
Maar een samenwerking tussen Canadese en Chinese onderzoekers lijkt de jackpot te hebben gewonnen . Ze hebben een manier gevonden om nikkel, ijzer, kobalt en fosfor te combineren om in een neutrale pH te werken, wat de werking van het systeem aanzienlijk gemakkelijker maakt. Omdat onze katalysator goed kan werken in elektrolyt met neutrale pH, wat nodig is voor CO2-reductie, kunnen we de elektrolyse van CO2-reductie uitvoeren in een [a] membraamvrij systeem, en daarom kan de spanning worden verlaagd, zegt Bo Zhang van de afdeling van Macromolecular Science aan de Fudan University, China. Met een indrukwekkende 64% elektrische-naar-chemische stroomomzetting is het team nu recordhouders met de hoogste efficiëntie voor kunstmatige fotosynthesesystemen.
hoe te controleren hoeveel uur je hebt op fortnite
Het grootste probleem met wat we nu hebben, is schaal
Voor hun inspanningen bereikte het team de halve finale in de NRG COSIA Carbon XPRIZE, waarmee ze $ 20 miljoen konden winnen voor hun onderzoek. Het doel is om doorbraaktechnologieën te ontwikkelen die de CO2-uitstoot van energiecentrales en industriële faciliteiten omzetten in waardevolle producten en met hun verbeterde kunstmatige fotosynthesesystemen maken ze een goede kans.
De volgende uitdaging is schaalvergroting. Het grootste probleem met wat we nu hebben, is schaal. Als we opschalen, verliezen we uiteindelijk de efficiëntie, zegt De Luna, die ook betrokken was bij het onderzoek van Zhang. Gelukkig hebben onderzoekers hun lijst met verbeteringen nog niet uitgeput en proberen ze nu katalysatoren efficiënter te maken door middel van verschillende samenstellingen en verschillende configuraties.
Winnen op twee fronten
Er is zeker nog ruimte voor verbetering op zowel de korte als de lange termijn, maar velen zijn van mening dat kunstmatige fotosynthese het potentieel heeft om een belangrijk hulpmiddel te worden als schone en duurzame technologie voor de toekomst.
Het is ongelooflijk spannend omdat het veld zo snel beweegt. Wat commercialisering betreft, bevinden we ons op het omslagpunt, zegt De Luna, eraan toevoegend dat of het werkt, afhankelijk zal zijn van veel factoren, waaronder het overheidsbeleid en de acceptatie door de industrie om hernieuwbare energietechnologie te accepteren.
De wetenschap op de juiste manier krijgen is dus eigenlijk slechts de eerste stap. Na onderzoek door onder meer Hastings en Zhang zal de cruciale stap komen om kunstmatige fotosynthese op te nemen in onze wereldwijde strategie rond hernieuwbare energie. De inzet is hoog. Als het lukt, kunnen we op twee fronten winnen: niet alleen door brandstoffen en chemische producten te produceren, maar ook door onze ecologische voetafdruk te verkleinen.
