Искусственный фотосинтез: возможно ли использование энергии солнца так же, как и растений?

Click here to see this page in other languages: English 

В начале ХХ века, итальянский химик Джакомо Чамичан признал экологическую нерациональность использования ископаемого топлива. Подобно многим сегодняшним защитникам окружающей среды, он обратился к природе за подсказками к развитию решений возобновляемой энергии, изучая химию растений и использование ими солнечной энергии. Он восхищался их непревзойденным мастерством фотохимического синтеза, способа использования света для синтезирования энергии простейших веществ, и тем, как «они изменяют обычный процесс горения».

Чамичан понял, что фотосинтез содержит в себе полностью возобновляемый процесс создания энергии. Когда солнечный свет достигает поверхность зеленого листа, он запускает реакцию внутри листа. Движимые энергией света, хлоропласты запускают производство химических продуктов, главным образом сахаров, сберегающих энергию, которые в дальнейшем растение может использовать для своих биологических потребностей. Это целиком возобновляемый процесс; растение имеет постоянный доступ к обширному снабжению солнечной энергией, впитывает углекислый газ и воду, а также вырабатывает кислород. Никакие отходы при этом не выделяются.

Если ученые смогут научиться имитировать фотосинтез при помощи обеспечения концентрированного углекислого газа и подходящих катализаторов, они также смогут создать топливо из солнечной энергии. Чамичан был увлечен кажущейся простотой этого решения. Вдохновленный маленькими успехами в химической манипуляции растениями, он задавался вопросом: «Возможно ли, имея хорошо приспособленные системы культивации и своевременного вмешательства, создать растения, производящие полезные для современной жизни вещества, в количествах, намного превосходящих обычные?»

В 1912 году, Чамичан озвучил встревоженность по поводу экологически нерационального использования ископаемого топлива и убедил научное сообщество в необходимости исследования фотосинтеза, воспроизведенного искусственным путем. Однако, сделано было немного. Век спустя, в разгар климатического кризиса, его взгляды, подкрепленные усовершенствованными технологиями и ростом научных познаний, добились значительного прогресса.

Спустя более десяти лет исследований и экспериментов, Пэйдун Ян, химик в Калифорнийском университете в Беркли, успешно создал первую фотосинтетическую биогибридную систему (ФБС) в апреле 2015 года. Эта ФБС первого поколения использует полупроводники и живые бактерии для осуществления фотосинтетической работы, которую делают настоящие листья, впитывающие солнечную энергию и создающие химический продукт, используя воду с углекислым газом и выделяя кислород, но она создает жидкое топливо. Этот процесс называется искусственный фотосинтез, и если технология продолжит совершенствоваться, она может стать будущим энергии.

Как работает эта система?

Разработанную Яном ФБС можно представить как синтетический лист. Это лоток размером в один квадратный дюйм, который содержит силиконовые полупроводники и живые бактерии; Ян называет это интерфейсом полупроводников и бактерий.

Для запуска процесса искусственного фотосинтеза, Ян погружает лоток с материалами в воду, насыщает воду углекислым газом, и освещает его солнечным светом. Поглощая солнечную энергию, полупроводники генерируют заряд для осуществления реакций в растворе. Бактерии извлекают электроны из полупроводников, используя их для трансформирования или сокращения молекул углекислого газа и создания жидкого топлива. Тем временем, вода на поверхности другого полупроводника окисляется, извлекая кислород. Через несколько часов или несколько дней такого процесса, химики могут собирать конечный продукт.

При помощи этой системы первого поколения, Ян успешно произвел бутанол, ацетат, полимеры и фармакологические прекурсоры, реализуя идеи Чамичана, которые когда-то казались маловероятными, об имитации растений для создания необходимого нам топлива. Коэффициент преобразования этой ФБС достиг 0.38%, что сравнимо с коэффициентом преобразования в настоящем зеленом листе.

Диаграмма искусственного фотосинтеза первого поколения; четыре основных этапа.

Описывая его исследования, Ян говорит: «Наша система обладает потенциалом фундаментально изменить химическую и нефтяную промышленность в плане возможности производства химических веществ и топлива при помощи полностью возобновляемого способа, вместо извлечения их из недр земли».

Если будет возможно увеличить производство системы Яна, промышленность могла бы искусственным путем выращивать лес, производящий топливо для автомобилей, самолетов и электростанций следуя тем же законам и процессам, которым подчиняется природный лес. Поскольку искусственный фотосинтез поглощал и сокращал бы углекислый газ при производстве топлива, мы могли бы продолжать использовать жидкое горючее без разрушения окружающей среды или нагревания планеты.

Однако, для реализации надежного производства топлива при помощи искусственного фотосинтеза в будущем, он должен быть, как предвидел Чамичан, лучше природы. Наши потребности в возобновляемой энергии неотлагательны, и для того чтобы заменить ископаемые виды топлива, модель Яна должна быть способна обеспечивать энергию в глобальном масштабе.

Последние события в разработанном Яном искусственном фотосинтезе

После значительного прорыва в апреле 2015, Ян продолжает совершенствовать его систему в надежде на окончательное производство коммерчески целесообразного, эффективного и надежного топлива.

В августе 2015 года, Ян и его коллеги протестировали его систему на другом типе бактерий. Используемый метод такой же, кроме электронов. Бактерии используют молекулярный водород из молекул воды для сокращения углекислого газа и создания метана, первичного компонента натурального газа. Предполагается, что этот процесс будет иметь внушительный 10-процентный коэффициент преобразования, что намного выше чем коэффициент преобразования в природных листьях.

Коэффициент преобразования уровня 10% имеет коммерческий потенциал, но, поскольку метан является газом, его тяжелее использовать чем жидкое топливо как, например, бутанол, который можно транспортировать через трубы. В целом, эта ФБС нового поколения нуждается разработке и сборке для достижения свыше 10% эффективности конверсии солнечной энергии в жидкое топливо.

Диаграмма ФБС второго поколения, производящей метан.

В декабре 2015 года, Ян развил свою систему дальше, совершив выдающееся открытие что некоторые бактерии могут сами выращивать полупроводники. Это открытие замкнуло двухфазовый процесс выращивания нанопроволоки и дальнейшего культивирования в ней бактерий. Усовершенствованный интерфейс полупроводников и бактерий может в принципе быть более эффективным для производства ацетата и, согласно Яну, других химикатов и топлива. Кроме того, система имеет существенный потенциал для производства в промышленных масштабах.

Диаграмма ФБС третьего поколения, производящей ацетат.

В течение последних недель, Ян совершил еще один важный прорыв в разъяснении механизма передачи электронов во взаимодействии между полупроводником и бактериями. Это вид глубокого понимания передачи заряда в области взаимодействия обеспечит ключевые знания для разработки ФБС следующего поколения с улучшенной эффективностью и надежностью. Он вскоре опубликует детали этого открытия.

Несмотря на важные открытия и модификации ФБС, Ян поясняет, что «в настоящее время установлена физика взаимодействия полупроводников с бактериями для сокращения углекислого газа посредством солнечной энергии». При наличии эффективного полупроводника, поглощающего солнечную энергию и питающего бактерии электронами, фотосинтетическая функция приходит в действие и удивительный процесс искусственного фотосинтеза будет производить жидкое топливо.

Почему эта солнечная энергия уникальна

Питер Форбс, писатель на тему науки, автор книги «Нанонаука: гиганты бесконечно малых величин», восхищается работой Яна в создании этой системы. Он пишет: «Это замечательный синтез: полупроводники – наиболее эффективные собиратели света, а биологические системы – лучшие поглотители CO₂».

Искусственный фотосинтез Яна полагается только на солнечную энергию, но он создает более практичный источник энергии чем солнечные панели, которые в настоящее время являются самой популярной и коммерчески целесообразной формой солнечной энергии. В то время как полупроводники в солнечных панелях впитывают солнечную энергию и преобразуют ее в электричество, в искусственном фотосинтезе полупроводники впитывают солнечную энергию и хранят ее «в химической связи углерода с углеродом или углерода с водородом, которые характерны для жидких видов топлива, таких как метан или бутанол».

Эта разница имеет решающее значение. Электричество, генерированное из солнечных панелей, просто не может удовлетворить наши разнообразные потребности в энергии, а возобновляемые жидкое топливо и природный газ могут. В отличие от солнечных панелей, ФБС Яна впитывает и расщепляет углекислый газ, высвобождает кислород и создает возобновляемое топливо, которое может быть собрано и использовано. С искусственным фотосинтезом, создающим горючее, вождение автомобиля и управление механизмами становится более безвредным. Кэтрин Бурзач тонко отметила: «Это пока одна из лучших попыток осуществить простое уравнение: солнце + вода + углекислый газ = экологически рациональное топливо».

Будущее искусственного фотосинтеза

ФБС Яна развивается стремительно, но ему много еще предстоит сделать перед тем как технология может быть признана коммерчески целесообразной. Несмотря на обнадеживающие, особенно с метаном, коэффициенты преобразования, ФБС все еще недостаточно прочна или недостаточно рентабельна для рыночной реализации.

Для улучшения этой системы Ян с коллегами работают над вопросом замены бактерий синтетическими катализаторами. Пока что, бактерии достоверно являются наиболее эффективными катализаторами, и они также обладают высокой чувствительностью – то есть, они могут создавать разнообразные полезные компоненты, такие как бутанол, ацетат, полимеры и метан. Но, поскольку бактерии живут и умирают, они менее прочны чем синтетические катализаторы и менее надежны в случае увеличения объемов производства такой технологии.

Ян тестирует ФБС с живыми бактериями и синтетическими катализаторами в параллельных системах для того чтобы выяснить какой тип работает лучше всего. «С точки зрения эффективности и селективности конечного продукта, бактериальный подход выигрывает, – говорит Ян – но если в дальнейшем мы найдем синтетический катализатор, производящий метан и бутанол с подобной селективностью, это будет окончательным решением». Такая система даст нам идеальное топливо и наиболее прочный интерфейс полупроводника с катализатором, который можно будет надежно производить в промышленных объемах.

Также требует рассмотрения вопрос того что, в отличие от естественного фотосинтеза, искусственный фотосинтез требует для функционирования концентрированный углекислый газ. Это легко сделать в лаборатории, но при промышленных объемах производства искусственного фотосинтеза Яну потребуется найти реальный способ подачи концентрированного углекислого газа к ФБС. Питер Форбс утверждает, что искусственный фотосинтез Яна мог бы быть «соединен с технологией захвата углерода для извлечения СО₂ из выбросов дымоходов и преобразования его в топливо». Если такое можно было бы сделать, искусственный фотосинтез осуществил бы вклад в углеродно-нейтральное будущее, потребляя выбросы углерода и выделяя кислород. Это не фокус исследований Яна, но это существенная часть задачи, которую ученые должны решить для того, чтобы искусственный фотосинтез поставлял необходимое нам топливо в больших объемах.

Когда Джакомо Чамичан думал о будущем искусственного фотосинтеза, он представлял будущее с обилием энергии в котором люди смогут овладеть «фотохимическими процессами, которые до того времени хранили секрет растений, …сделав так, чтобы они давали более обильные плоды, чем природа, поскольку природа не торопится, в отличие от человечества». И, даже если поспешность не была очевидна для ученых в 1912 году, она ясна сейчас в 2016 году.

Пэйдун Ян уже создал систему искусственного фотосинтеза, которая превосходит природу по производительности. Если он продолжит повышать эффективность и надежность своей ФБС, искусственный фотосинтез сможет революционизировать использование энергии и служить в качестве возобновляемой модели для будущих поколений. До тех пор, пока светит солнце, искусственный фотосинтез может производить топливо и потреблять отходы. В таком будущем искусственного фотосинтеза, мир был бы способен выращивать и использовать горючее свободно, зная, что те же природные процессы, которые создали его, переработают углерод в обратном цикле производства.

Ян разделяет эту надежду на будущее. Он поясняет: «Наше видение кибернетической эволюции – биологии, усовершенствованной неорганическими материалами – может обеспечить полную реализацию концепции ФБС, избирательно совмещая лучшее из двух миров, обеспечивая общество возобновляемым решением энергетической проблемы и смягчая изменение климата».

 Если вы хотите узнать больше об исследованиях Пэйдуна Яна, пожалуйста, посетите его сайт, http://nanowires.berkeley.edu/.