Zielony Graal - jak odtworzyć fotosyntezę
W biosferze, wewnątrz komórek roślinnych, w procesie fotosyntezy dwutlenek węgla oraz woda ulegają transformacji do węglowodanów w temperaturze otoczenia, pod wpływem promieniowania słonecznego. Sztuczna fotosynteza (AP) jest definiowana jako proces polegający na otrzymywaniu paliw oraz substancji chemicznych wyłącznie z dwutlenku węgla, wody i energii pochodzącej z promieniowania słonecznego. Jej wykorzystanie jest niezwykle cenne, gdyż umożliwiłoby ograniczenie zapotrzebowania ludzkości na paliwa kopalne.
Gdyby udało się kontrolować ten znany do tej pory ze świata roślin proces, otrzymalibyśmy niezwykłe źródło energii, swoisty święty i zielony Graal energetyki. Pozyskiwana w sposób imitujący przyrodę energia Słońca mogłaby, co najmniej, zastąpić niezbyt efektywną jak dotychczas fotowoltaikę. Docierająca do nas non stop, wystarczyłaby do pokrycia całorocznych wymagań energetycznych na świecie.
Słowo klucz - katalizatory
Proces fotosyntezy zachodzący w naturze nie jest łatwy do powtórzenia w laboratorium. Pierwszy etap fotosyntezy to absorpcja światła przez chlorofil - cząsteczkę odpowiedzialną za zielony kolor roślin. Energia światła jest przekazywana w formie ładunków ujemnych (elektronów) i dodatnich (dziur) poprzez serię reakcji prowadzących do powstawania węglowodanów i tlenu. Składniki naturalnego systemu fotosyntezy nie działają w warunkach laboratoryjnych, dlatego poszukuje się nowych katalizatorów imitujących funkcję tych naturalnych. Zaletą układu wykorzystującego półprzewodniki jest to, że można uzyskać głębszą redukcję węgla, np. do metanolu lub metanu, podczas gdy naturalna fotosynteza prowadzi z reguły do związków mniej zredukowanych, takich jak glukoza. Jednym ze znanych fotokatalizatorów -pozwalających na fotochemiczną konwersję CO2 do lekkich węglowodorów, w tym głównie do metanu i metanolu, jest tlenek tytanu(IV), TiO2. Od szeregu lat testuje się mechanizm fotokonwersji CO2 na powierzchni tego tlenku.
Efektywność procesu fotokonwersji CO2 do CH4 oraz CH3OH jest bardzo niska. Co więcej, prowadząc reakcję w obecności promieniowania UV emitowanego przez lampy rtęciowe lub ksenonowe, ilość energii dostarczanej w postaci energii elektrycznej konsumowanej przez lampę przewyższa ilość tej otrzymanej w postaci nośników energii (paliwo). Dlatego badania prowadzone w ostatnich latach dotyczą przede wszystkim powstawania nowych fotokatalizatorów, aktywnych pod wpływem światła widzialnego, co pozwoli na przeprowadzenie fotokonwersji CO2 w obecności promieniowania słonecznego. Jednym z nowszych przykładów konwersji CO2 do metanu jest wykorzystanie promieniowania słonecznego w obecności nanorurek wykonanych z TiO2 domieszkowanego azotem. W celu podwyższenia efektywności procesu, na powierzchni nanorurek osadza się substraty platyny i/lub miedzi.
Praktyczne zastosowanie zintegrowanego systemu sztucznej fotosyntezy do bezpośredniej konwersji CO2 i wody do paliw wymaga opracowania efektywnych katalizatorów. Powinny one wykazywać gęstość centrów aktywnych współmierną do strumienia promieniowania słonecznego na powierzchni ziemi (ok. 1000 W/m2), co będzie zapobiegało stratom fotonów padającego światła.
Cenne półprodukty
Naukowcy z Chalmers University of Technology przedstawili w 2013 r. na łamach czasopisma "Journal of the American Chemical Society" możliwość użycia molekuł DNA zdolnych do samoorganizacji, co skutkuje tworzeniem swoistego rusztowania dla systemu wyłapującego energię świetlną. W naturalnie występujących fotosystemach to odpowiednie grupy zróżnicowanych białek odpowiadają za najbardziej efektywną organizację przestrzenną chlorofilu. Jednak sztuczna konstrukcja tak złożonej maszynerii na zasadzie kopii jest właściwie niemożliwa.
W przypadku sztucznej anteny, badacze zastosowali molekuły DNA, które ze względu na swoje właściwości i znane już technologie można przygotować tak, by były zdolne do ściśle przewidywalnej samoorganizacji i łączenia z innymi molekułami. Dodatkową zaletą zastosowania DNA jako materiału konstrukcyjnego do tworzenia anten wychwytujących energię świetlną w procesie sztucznej fotosyntezy jest zdolność takich systemów do samonaprawy. W sytuacji uszkodzenia molekuły fotoczułej, taki biologiczny dynamiczny układ pozwala na bardzo szybkie zastąpienie jej nową. Jak mówią sami naukowcy, system zachowuje się jak puzzle, w których wszystkie elementy pasują do siebie i tworzą całość tylko w jeden, ściśle określony sposób.
Według opublikowanych w 2015 r. badań Departamentu Energii rządu Stanów Zjednoczonych, przeprowadzonych we współpracy z kalifornijskim ośrodkami akademickimi w Berkeley, można stworzyć system, który przechwyci CO₂, zanim ten trafi do atmosfery, i przy udziale energii słonecznej przetworzyć go na biodegradowalne tworzywa sztuczne, leki a nawet paliwa. Stworzony przez naukowców układ hybrydowy łączy półprzewodnikowe nanorurki, gdzie powstają pod wpływem światła słonecznego elektrony, z pracą odpowiednich bakterii, które z użyciem elektronów redukują CO₂, co imituje reakcje zachodzące w fotosyntezie. Jednak w przeciwieństwie do roślin syntetyzuje się tu nie węglowodany z dwutlenku węgla i wody, ale octan, bo taki związek wytwarzają użyte w procesie bakterie z gatunku S. ovata. Ten związek jest półproduktem, który może być użyty do dalszych procesów syntezy innych potrzebnych substancji. Wykorzystanie bakterii E. coli pozwala na wytwarzanie kolejnych substancji.
W przeprowadzonych eksperymentach otrzymano mieszaninę składającą się w 26% z butanolu, który jest paliwem, 25% ze związku zwanego amorfadienem, który może posłużyć do wytwarzania pewnych leków, i w ok. 50% z biodegradowalnego polimeru polihydroksymaślanu. Oczywiście efektywność energetyczna procesu, wynosząca w eksperymentach 0,38%, pozostawia jeszcze wiele do życzenia, ale badania są kontynuowane.
Dziesięć razy wydajniej niż w naturze
Przesadny optymizm nie jest, ma się rozumieć, wskazany, ale z frontu badań nad sztuczną fotosyntezą wciąż napływają nowe dobre wiadomości. Takie jak te z sierpnia ubiegłego roku, zgodnie z którymi naukowcom z Uniwersytetu Harvarda udało się podnieść wydajność skonstruowanego kilkanaście miesięcy wcześniej sztucznego liścia do poziomu kilkakrotnie wyższego niż w jego naturalnym odpowiedniku.
Liść składa się z ogniwa fotowoltaicznego, z którego energia biegnie do modułu chemicznego, gdzie woda rozbijana jest na tlen i wodór. Następnie rusza część biologiczna - bakterie, wykorzystując do tego wodór i CO2 z powietrza, produkują alkohol, który może być używany jako biopaliwo, a jedynym produktem ubocznym działania urządzenia jest tlen. Stosowany na początku katalizator z niklu, molibdenu i cynku był toksyczny dla bakterii działających w układzie, ale udało się go ostatnio zastąpić stopem zupełnie nowym, składającym się z amalgamatu, kobaltu i fosforu.
Co więcej, nowy katalizator jest już powszechnie używany w przemyśle, głównie jako powłoka antykorozyjna, wobec czego nie będzie drogi. Najważniejsze zaś, że zapewnia on sprawność całego układu na poziomie 10%.
Także w Polsce prowadzi się badania nad sztuczną fotosyntezą i sztucznymi liśćmi. W lutym 2017 r. media donosiły, że naukowcy z Politechniki Wrocławskiej chcą stworzyć sztuczny liść na bazie grafenu. Chodzi o wykorzystanie grafenu do redukcji dwutlenku węgla. W ciągu trzech lat można spodziewać się prototypów.
Zielona fabryka
Celem naukowców jest uzyskanie z redukcji CO2 wysokoenergetycznych produktów, jak np. metan i metanol, które można ponownie wykorzystać jako paliwa. Najciekawszym z potencjalnych produktów chemicznych pozostaje kwas mrówkowy, który nadaje się świetnie do przechowywania wodoru.
"W sztucznym procesie fotosyntezy związki chemiczne mogą powstawać z dużo większą wydajnością i efektywnością niż w czasie standardowej fotosyntezy roślinnej. Oznacza to, że zapotrzebowanie na paliwa może być zaspokojone przez stworzenie specjalnych fabryk. Zostałyby one rozmieszczone w miejscach, gdzie jest stały dostęp do energii słonecznej oraz obfitość wody", napisał w 2015 r. w czasopiśmie "Advanced Energy Materials" prof. Douglas MacFarlane z ARC Centre of Excellence for Electromaterials Science (ACES). "Kluczem do sukcesu jest opracowanie konkretnych katalizatorów. Jeden posłużyłby do utleniania wody. Drugi znalazłby zastosowanie we wchłanianiu i redukowaniu dwutlenku węgla. Przyłączenie tych katalizatorów do danego materiału umożliwi mu pochłanianie energii świetlnej. Dzięki temu wytwarzanie paliw, takich jak metanol, stanie się możliwe."
Zespół badawczy prof. MacFarlane’a zaproponował fotokatalizator na bazie tlenku miedzi, naniesionego na powierzchnię materiału w postaci drobnych kropeczek o wielkości ok. 2 nm. Pozwoliło to na uzyskanie nanokompozytu zdolnego do przekształcenia dwutlenku węgla wyłącznie w oparciu o użycie światła słonecznego jako źródła energii. Produktem w procesie jest metanol, niezwykle użyteczny jako paliwo. Może być wykorzystany również do tworzenia bardziej skomplikowanych i złożonych związków węglowych, do których zaliczamy m.in. tworzywa sztuczne oraz środki farmaceutyczne.
Róża przepełniona polimerami
Pierwsze kwiaty-cyborgi pojawiły się pod koniec 2015 r., w wyniku prac badaczy ze szwedzkiego Uniwersytetu w Linköping. Elementem sztucznym była w nich substancja polimerowa, która została wchłonięta przez układ naczyniowy rośliny, tworząc sieć elektroniczną, mogącą przewodzić sygnały. Substancja ta miała jednak tendencje do tworzenia zatorów w naczyniach rośliny. Dlatego Szwedzi udoskonalili ją, tworząc nową, o nazwie oligomer, składającą się z mniejszych cząsteczek, którą róże mogły łatwiej absorbować - sieć przewodów dociera teraz do wszystkich organów rośliny.
Owa sieć przewodów w tkance roślinnej, która jest środowiskiem elektrolitycznym, tworzy coś w rodzaju baterii, a raczej superkondensatora, czyli urządzenia zdolnego do przyjęcia dużego ładunku elektrycznego w krótkim czasie -tak jak ma to miejsce w systemach hamulcowych nowoczesnych tramwajów, gdzie pochłaniana jest energia hamowania pojazdu, możliwa do dalszego wykorzystania.
Połączenie fotosyntezy - nawet nie tej sztucznej, lecz naturalnie zachodzącej na polach i w lasach -z możliwością magazynowania energii elektrycznej w roślinach, nasuwa pomysł wykorzystania ogromnych zielonych areałów jako swoistych słonecznych farm energii, bez konieczności pokrywania wielkich obszarów panelami fotowoltaicznymi.
Sztuczna fotosynteza - pojęcie, które ogólnie obejmuje "skopiowanie" naturalnego procesu fotosyntezy, a także związane z tym badania, w celu otrzymania wysokoenergetycznych związków chemicznych z dwutlenku węgla i wody przy udziale energii słonecznej. Czasami pod pojęciem tym rozumiany jest także rozkład wody na wodór i tlen za pomocą energii słonecznej. Termin dotyczy również starań naukowców, nakierowanych na otrzymanie z dwutlenku węgla i wody w reakcji sztucznej fotosyntezy płynnego paliwa.
Naturalna fotosynteza zachodzi w komórkach roślin. Z wody i CO2 za sprawą energii światła słonecznego powstają tam użyteczne biologicznie węglowodany (np. glukoza), służące jako źródło energii lub materiał do syntezy innych związków organicznych (białek i tłuszczów), a jako produkt uboczny zostaje wydzielony do atmosfery O2. Kluczową rolę w fotosyntezie odgrywają fotoukłady - połączenie białek i absorbujących światło barwników, dzięki którym możliwa jest zamiana energii światła słonecznego na energię chemiczną. Fotosynteza umożliwiła życie na Ziemi ludziom i zwierzętom, czyli organizmom, które oddychają tlenem i odżywiają się pożywieniem opartym na organicznych związkach węgla.
Wizję odtworzenia fotosyntezy, czyli największej tajemnicy roślin, i w efekcie zastąpienia przemysłowych kominów szeregami czystych probówek i roślin jako niewyczerpalnego źródła trwałej energii, przedstawił w 1912 r. na łamach czasopisma naukowego "Science" włoski chemik Giacomo Ciamician.
Od lat 70. XX wieku zaczęło wzrastać zainteresowanie sztuczną fotosyntezą. Opracowanie tej technologii dawałoby możliwość produkowania elektryczności, wodoru lub innego paliwa (metan, etanol), a ponadto pozwalałoby na utylizowanie nadmiaru CO2 z atmosfery, który powstaje wskutek spalania paliw kopalnych jako źródła energii. Naukowcy mają też nadzieję, że sztuczna fotosynteza okaże się bardziej ekonomiczna i zastąpi inną, alternatywną metodę produkcji wodoru, opartą na elektrolizie wody przy użyciu energii z baterii słonecznych.
