Photosynthesis: pangunahing mekanismo para sa buhay sa planetang ito, salot ng mga mag-aaral sa biology ng GCSE, at ngayon ay isang potensyal na paraan upang labanan ang pagbabago ng klima. Nagsusumikap ang mga siyentipiko na bumuo ng isang artipisyal na pamamaraan na ginagaya kung paano ginagamit ng mga halaman ang sikat ng araw upang baguhin ang CO2 at tubig sa isang bagay na maaari nating gamitin bilang panggatong. Kung ito ay gagana, ito ay isang win-win scenario para sa amin: hindi lamang tayo makikinabang sa renewable energy na ginawa sa ganitong paraan, ngunit maaari rin itong maging isang mahalagang paraan upang mabawasan ang mga antas ng CO2 sa atmospera.
Gayunpaman, inabot ng mga halaman ang bilyun-bilyong taon upang makabuo ng photosynthesis, at hindi palaging isang madaling gawain na gayahin ang nangyayari sa kalikasan. Sa ngayon, gumagana ang mga pangunahing hakbang sa artipisyal na photosynthesis, ngunit hindi masyadong mahusay. Ang magandang balita ay ang pananaliksik sa larangang ito ay bumibilis at may mga grupo sa buong mundo na gumagawa ng mga hakbang patungo sa paggamit ng mahalagang prosesong ito.
Dalawang hakbang na photosynthesis
Ang photosynthesis ay hindi lamang tungkol sa pagkuha ng sikat ng araw. Magagawa iyon ng butiki na naliligo sa mainit na araw. Ang photosynthesis ay umunlad sa mga halaman bilang isang paraan upang makuha at maimbak ang enerhiya na ito (ang "photo" bit) at i-convert ito sa carbohydrates (ang "synthesis" bit). Gumagamit ang mga halaman ng serye ng mga protina at enzyme na pinapagana ng sikat ng araw upang maglabas ng mga electron, na ginagamit naman para i-convert ang CO2 sa mga kumplikadong carbohydrates. Karaniwan, ang artipisyal na photosynthesis ay sumusunod sa parehong mga hakbang.
"Sa natural na photosynthesis, na bahagi ng natural na carbon cycle, mayroon tayong liwanag, CO2 at tubig na pumapasok sa halaman at ang halaman ay gumagawa ng asukal," paliwanag ni Phil De Luna, isang PhD na kandidato na nagtatrabaho sa Department of Electrical and Computer Engineering sa ang Unibersidad ng Toronto. "Sa artificial photosynthesis, gumagamit kami ng mga inorganikong device at materyales. Ang aktwal na bahagi ng pag-aani ng solar ay ginagawa ng mga solar cell at ang bahagi ng conversion ng enerhiya ay ginagawa ng electrochemical [mga reaksyon sa pagkakaroon ng] mga catalyst."
Ang talagang nakakaakit sa prosesong ito ay ang kakayahang gumawa ng gasolina para sa pangmatagalang imbakan ng enerhiya. Higit pa ito kaysa sa magagawa ng kasalukuyang nababagong enerhiya, kahit na sa umuusbong na teknolohiya ng baterya. Kung ang araw ay hindi sumisikat o kung ito ay hindi isang mahangin na araw, halimbawa, ang mga solar panel at wind farm ay hihinto lamang sa paggawa. "Para sa matagal na pana-panahong pag-iimbak at pag-iimbak sa mga kumplikadong gasolina, kailangan namin ng mas mahusay na solusyon," sabi ni De Luna. "Ang mga baterya ay mahusay para sa araw-araw, para sa mga telepono at kahit para sa mga kotse, ngunit hindi namin kailanman tatakbo ang isang [Boeing] 747 na may baterya."
Mga hamon upang malutas
Pagdating sa paglikha ng mga solar cell - ang unang hakbang sa proseso ng artificial photosynthesis - mayroon na tayong teknolohiya sa lugar: solar-power system. Gayunpaman, ang mga kasalukuyang photovoltaic panel, na karaniwang mga sistemang nakabatay sa semiconductor, ay medyo mahal at hindi epektibo kumpara sa kalikasan. Isang bagong teknolohiya ang kailangan; isa na nag-aaksaya ng mas kaunting enerhiya.
Si Gary Hastings at ang kanyang koponan mula sa Georgia State University, Atlanta, ay maaaring natisod sa isang panimulang punto kapag tinitingnan ang orihinal na proseso sa mga halaman. Sa photosynthesis, ang mahalagang punto ay nagsasangkot ng paglipat ng mga electron sa isang tiyak na distansya sa cell. Sa napakasimpleng mga termino, ang paggalaw na ito na dulot ng sikat ng araw na kalaunan ay na-convert sa enerhiya. Ipinakita ni Hastings na ang proseso ay napakahusay sa kalikasan dahil ang mga electron na ito ay hindi maaaring bumalik sa kanilang orihinal na posisyon: "Kung ang electron ay bumalik sa kung saan ito nanggaling, kung gayon ang solar energy ay mawawala." Bagama't bihira ang posibilidad na ito sa mga halaman, madalas itong nangyayari sa mga solar panel, na nagpapaliwanag kung bakit hindi gaanong mahusay ang mga ito kaysa sa totoong bagay.
Naniniwala si Hastings na "malamang na isulong ng pananaliksik ang mga teknolohiyang solar-cell na may kaugnayan sa paggawa ng kemikal o gasolina", ngunit mabilis niyang itinuro na ito ay isang ideya lamang sa ngayon at ang pagsulong na ito ay malamang na hindi mangyari anumang oras sa lalong madaling panahon. "Sa mga tuntunin ng paggawa ng isang ganap na artipisyal na solar-cell na teknolohiya na idinisenyo batay sa mga ideyang ito, naniniwala ako na ang teknolohiya ay mas malayo sa hinaharap, malamang na hindi sa loob ng susunod na limang taon kahit para sa isang prototype."
Ang isang problema ng mga mananaliksik ay naniniwala na malapit na nating lutasin ang pangalawang hakbang sa proseso: pag-convert ng CO2 sa gasolina. Dahil napaka-stable ng molekula na ito at nangangailangan ng hindi kapani-paniwalang dami ng enerhiya para masira ito, ang artipisyal na sistema ay gumagamit ng mga catalyst upang mapababa ang kinakailangang enerhiya at makatulong na mapabilis ang reaksyon. Gayunpaman, ang diskarte na ito ay nagdudulot ng sarili nitong hanay ng mga problema. Mayroong maraming mga pagtatangka sa nakalipas na sampung taon, na may mga catalyst na gawa sa mangganeso, titanium at kobalt, ngunit ang matagal na paggamit ay napatunayang isang problema. Ang teorya ay maaaring mukhang maganda, ngunit sila ay maaaring huminto sa pagtatrabaho pagkatapos ng ilang oras, maging hindi matatag, mabagal o mag-trigger ng iba pang mga kemikal na reaksyon na maaaring makapinsala sa cell.
Ngunit ang pakikipagtulungan sa pagitan ng mga mananaliksik ng Canada at Tsino ay tila tumama sa jackpot. Nakakita sila ng paraan para pagsamahin ang nickel, iron, cobalt at phosphorus para gumana sa neutral na pH, na ginagawang mas madali ang pagpapatakbo ng system. "Dahil ang aming catalyst ay maaaring gumana nang maayos sa neutral na pH electrolyte, na kinakailangan para sa pagbabawas ng CO2, maaari naming patakbuhin ang electrolysis ng CO2 reduction sa [a] membrane-free system, at samakatuwid ang boltahe ay maaaring bumaba", sabi ni Bo Zhang, mula sa ang Departamento ng Macromolecular Science sa Fudan University, China. Sa isang kahanga-hangang 64% electrical-to-chemical power conversion, ang team ay mga record holder na ngayon na may pinakamataas na kahusayan para sa mga artificial photosynthesis system.
"Ang pinakamalaking isyu sa kung ano ang mayroon tayo ngayon ay sukat"
Para sa kanilang mga pagsisikap, naabot ng koponan ang semi-finals sa NRG COSIA Carbon XPRIZE, na maaaring manalo sa kanila ng $20 milyon para sa kanilang pananaliksik. Ang layunin ay "bumuo ng mga pambihirang teknolohiya na magko-convert ng CO2 emissions mula sa mga planta ng kuryente at mga pasilidad na pang-industriya sa mga mahahalagang produkto" at sa kanilang pinahusay na mga artipisyal na sistema ng photosynthesis, mayroon silang magandang pagkakataon.
Ang susunod na hamon ay ang pag-scale up. "Ang pinakamalaking isyu sa kung ano ang mayroon tayo ngayon ay sukat. Kapag lumaki tayo, nawawalan tayo ng kahusayan," sabi ni De Luna, na kasangkot din sa pag-aaral ni Zhang. Sa kabutihang-palad, hindi pa naubos ng mga mananaliksik ang kanilang listahan ng mga pagpapahusay, at ngayon ay sinusubukang gawing mas mahusay ang mga catalyst sa pamamagitan ng iba't ibang komposisyon at iba't ibang configuration.
Panalo sa dalawang larangan
Tiyak na mayroon pa ring puwang para sa pagpapabuti sa maikli at mahabang panahon, ngunit marami ang nakadarama na ang artipisyal na photosynthesis ay may potensyal na maging isang mahalagang tool bilang isang malinis at napapanatiling teknolohiya para sa hinaharap.
"Ito ay hindi kapani-paniwalang kapana-panabik dahil ang field ay gumagalaw nang napakabilis. Sa mga tuntunin ng komersyalisasyon, kami ay nasa tipping point," sabi ni De Luna, at idinagdag na, kung ito ay gumagana "ay magdedepende sa maraming mga kadahilanan, na kinabibilangan ng pampublikong patakaran at ang pag-aampon ng industriya upang tanggapin ang renewable energy technology .”
Ang pagkuha ng tama sa agham ay talagang unang hakbang lamang, kung gayon. Kasunod ng pagsasaliksik ng mga tulad nina Hastings at Zhang ay darating ang mahalagang hakbang na sumipsip ng artificial photosynthesis sa ating pandaigdigang diskarte sa renewable energy. Mataas ang pusta. Kung magpapatuloy ito, maninindigan tayong manalo sa dalawang larangan – hindi lamang sa paggawa ng mga panggatong at produktong kemikal, ngunit binabawasan din ang ating carbon footprint sa proseso.