Искусственный фотосинтез. Искусственный фотосинтез - альтернативный источник энергии? Хлорофилл эффективнее Акинфеева, но этого мало

Фотосинтез, способность растений, используя энергию солнечного света, окислять воду с выделением кислорода – важнейшее эволюционное приобретение природы. Ученые всего мира, в том числе из США, Японии и стран Евросоюза более 30 лет бьются над повторением природных технологий, созданием искусственного фотосинтеза . Однако до сих пор не удавалось повторить достижения природы столь же эффективно. Главной проблемой искусственного фотосинтеза до последнего времени была скорость реакций. Самые быстрые методы до сих пор позволяли достичь скорости реакций на два порядка ниже, чем они происходят в природных условиях.

На днях стало известно, что исследователям из Королевского технологического института (КТИ) в Стокгольме удалось получить молекулярный катализатор, который может окислять воду в кислород столь же быстро, как и растения. Результаты исследований чрезвычайно важны и позволяют создать более эффективные технологии использования солнечной и других видов возобновляемой энергии .

Коллектив ученых под руководством профессора Личенг Сан (Licheng Sun) создал рекордно быстрый молекулярный катализатор. Если природный фотосинтез происходит со скоростью от 100 до 400 превращений в секунду, то новый катализатор достигает скорости более 300 превращений в секунду.

«Это, безусловно, мировой рекорд и настоящий прорыв в искусственном фотосинтезе», - пояснил профессор Личенг Сан.

По мнению профессора, для возобновляемой энергетики этот факт открывает множество новых возможностей: «Такая скорость позволит в будущем создавать промышленное оборудование для производства водорода в Сахаре, где солнечный свет в изобилии».

Учитывая стремительный рост цен на нефтяное топливо, использование нового молекулярного катализатора позволит заложить основы многих важных изменений. С его помощью можно использовать солнечный свет для преобразования углекислого газа в различные виды топлива, например, в метанол . Могут быть разработаны технологии прямой конвертации солнечной энергии в водород.

Личенг Сан добавил, что он и его коллеги упорно и интенсивно трудятся над тем, чтобы сделать технологию достаточно дешевой. «Я убежден, что уже в течение десяти лет может появиться технология, основанная на нынешних исследованиях, достаточно дешевая, чтобы конкурировать с углеродным топливом», - заявил он.

Личенг Сан работал в области исследований фотосинтеза в течение почти двадцати лет, более половины всего срока пребывания в Королевском технологическом институте. Основываясь на своем опыте и мнениях коллег, профессор считает, что эффективный катализатор для окисления воды является ключом к решению проблем солнечной энергии.

В 1976 году д-р Джозеф Кац, из Aragon Nat., Штат Иллинойс, США, создал "искусственный лист", так назвала пресса открытие искусственного фотосинтеза.

На самом деле речь шла о топливном элементе, произведенном во время одной из стадий фотосинтеза, а именно той, в которой фотоны сталкиваются с хлорофиллом, способствуя выбросу электронов. Открытие является источником дешевой энергии из воды и хлорофилла, а также источником водорода, который считают идеальным топливом. В то же время оно представляет собой важный шаг на пути искусственного синтеза органических веществ (углеводов и жиров).

Фотосинтез - это процесс, в ходе которого, используя свет в качестве источника энергии, растения синтезируют из углерода, происходящего из простых неорганических веществ (диоксид углерода), сложные органические вещества. Операция проходит в специализированных клеточных органеллах, называемых хлоропластами, которые содержат необходимый для осуществления действия зеленый пигмент - хлорофилл. Процесс является чрезвычайно сложным.

На первом этапе фотосинтеза хлорофилл поглощает фотоны света из солнечного излучения и в ответ вырабатывает эквивалентное количество электронов. Эти электроны приводят к образованию ферментов, необходимых для осуществления последующих стадий фотосинтеза. Хлорофилл восстанавливает электроны в молекулах воды в ходе процесса, называемого фотолиз воды, проходящего при участии одного из ранее сформированных ферментов, катализированных структурами, содержащими атомы марганца и кальция. Молекулы воды расщепляются на ионы водорода и кислорода; водород участвует в химических реакциях, приводящих к образованию молекул АТФ, а кислород выделяется в атмосферу и используется бесчисленными организмами для дыхания.

На втором этапе растения поглощают из атмосферы и с помощью ряда ферментов в цепи сложных операций строят из углерода, выделенного из CO2, такие углеводы, как сахароза или крахмал, а из них и другие органические вещества.

В данном процессе важна его эффективность: почти ничего не теряется, биохимические циклы работают с большой скоростью и точностью, которые кажутся неправдоподобными, ферменты постоянно перерабатываются и возрождаются.

Фотосинтез является феноменом, который несмотря на изученность до мельчайших деталей, по-прежнему является чудом.

Недавно группа исследователей из Массачусетского технологического института (MIT) под руководством профессора Даниэля Г. Nocera объявила, что она получила то, что они называют "первым искусственным листом" : солнечную мини-панель размером с игральную карту, из недорогого, стабильного и устойчивого к износу полупроводникового материала, покрытого соединениями катализаторов, который при погружении в воду, имитирует процесс фотосинтеза с высокой степенью эффективности.

Если вам понравился этот материал, то предлагаем вам подборку самых лучших материалов нашего сайта по мнению наших читателей. Подборку - ТОП об экологически безопасных технологиях, новой науке и научных открытиях вы можете найти там, где вам максимально удобно

Фотосинтез - это преобразование энергии сета в химическую энергию. Под воздействием электромагнитного излучения видимого спектра вода и диоксид углерода преобразуются в молекулярный кислород и глюкозу, так же происходит разделение воды на водород и кислород.

Тем самым искусственный фотосинтез имеет два направления, задачи:

• Преобразование углекислого газа из атмосферы (борьба с парниковым эффектом, загрязнениями и как побочный продукт — топливо и прочие соединения).
• Получение из воды водорода, который будет использован для получения электроэнергии и как топливо.

Искусственный фотосинтез стал возможным благодаря применению искусственных наноразмерных супрамолекулярных систем.

Преобразование углекислого газа

Принцип работы системы искусственного фотосинтеза подразумевает преобразование атмосферного углекислого газа в органические соединения при помощи энергии света.

Полученные химические образования в дальнейшем будут использоваться для производства топлива, различных видов пластмасс и фармацевтических препаратов. Кроме энергии солнца, химическая реакция не требует дополнительных источников питания.

Технология искусственного фотосинтеза позволяет преобразовать углекислый газ в метанол. Инновационная система приводится в действие специальными бактериями и энергией солнечного света. Эта разработка позволит человечеству сократить объемы использования ископаемых видов энергоносителей – угля, нефти и природного газа.

Технология преобразования CO2 в промышленных масштабах должна изменить многие негативные с экологической точки зрения процессы на планете. В чатсности за этим направлением многие специалисты видят способ борьбы с глобальным потеплением.

Вариант установки искусственного фотосинтеза

В процессе естественного фотосинтеза листья с помощью энергии солнца перерабатывают двуокись углерода, которая реагирует с водой и формирует биомассу растения. В системе искусственного фотосинтеза, нанопровода из кремния и двуокиси титана получают солнечную энергию и доставляют электроны бактериям Sporomusa ovata, благодаря чему углекислый газ перерабатывается и вступает в реакцию с водой, давая на выходе различные химические вещества, в том числе — ацетаты.

Генетически модифицированные бактерии Escherichia coli способны трансформировать ацетаты и уксусную кислоту в сложные органические полимеры, которые являются «стандартными блоками» для получения полимеров РНВ, изопрена и биоразлагаемого n-бутанола. Полученные соединения входят в состав распространенных химических продуктов – от лакокрасочных материалов до антибиотиков.

Искусственный лист

Усилиями английского ученого Джулиана Мелкиорри был разработан синтетический лист, способный выполнять функции фотосинтеза. Искусственный зеленый лист использует хлоропласты, полученные из обычных растений. Согласно технологии, хлоропласты помещены в белковую среду, благодаря которой они равномерно распределяются по толще жидкости и не коагулируют. Предполагается, что данная разработка будет использоваться в городских условиях для производства кислорода. Не исключено, что синтетический лист найдет применение и в сфере космических исследований.

Подобный симбиоз полупроводниковых элементов с живыми организмами может стать фундаментом для дальнейшей разработки программируемой системы фотосинтеза, которая будет производить широкий ряд органических веществ, используя для этого только солнечную энергию. Если будущая система будет корректно работать, человечество сможет создавать пластмассу и горючее топливо буквально из воздуха.

Энергия из фотосинтеза

Как и естественные преобразователи солнечной энергии, искусственные фотосистемы должны состоять из таких компонентов:

• Улавливатель солнечного излучения,
• Центр проведения реакций,
• Средство хранения полученной энергии.

Важнейшая задача, которую решают в лабораториях — повышение КПД искусственного фотосинтеза. Поэтому значительная часть работы сводится к поиску оптимальных материалов для создания каждого из вышеперечисленных блоков.

Систему искусственного фотосинтеза с высоким КПД и наноразмерами ждут в робототехнике, в частности в сфере создания нанороботов, где вопрос обеспечения энергией один из ключевых.

Компактные установки для получения энергии из фотосинтеза предположительно заменят солнечные батареи и ветряки на домах с нулевым потреблением, а также имеют перспективы для интеграции в системы умного дома, специализированные на энергетическое самообеспечение.

В то время как солнечные панели ограничены теоретическими пределами своей эффективности, где-то есть место для искусственного фотосинтеза, давно забытого братца солнечных панелей.
Весьма вероятно, что люди продолжат сжигать жидкое и твердое топливо, которое горит, в то время как солнечные панели смогут лишь обеспечить нас электричеством.

В 1912 году в Science была опубликована статья, в которой профессор Джакомо Чамичан писал следующее: «Уголь предлагает солнечную энергию человечеству в ее самой концентрированной форме, но уголь исчерпаем. Неужели ископаемая солнечная энергия - единственное, что может использовать современная жизнь и цивилизация?». И позже, в этой статье, он добавляет:
«Стеклянные здания будут повсюду; внутри них будут протекать фотохимические процессы, которые до сих пор были охраняемым секретом растений, но которые будут осваиваться человеческой промышленностью, она узнает, как заставить их давать еще более изобильные плоды, чем природа, поскольку природа никуда не торопится, а человечество наоборот. Жизнь и цивилизация будут продолжаться до тех пор, пока светит солнце».
Изменение климата дает новый импульс исследованиям искусственного фотосинтеза. Растения делают кое-что еще полезное: улавливают углекислый газ. Большинство климатических моделей, которые позволяют нам уложиться в лимит Парижского соглашения (2 градуса по Цельсию), требуют большого количества биоэнергии с улавливанием и хранением углерода. Это технология отрицательных выбросов, когда растения захватывают углекислый газ, превращаются в биотопливо и затем сгорают. Углерод улавливается и секвестрируется под землей.
Искусственный фотосинтез может быть углерод-отрицательным источником жидкого топлива вроде этанола. Защитники экологии зачастую обращаются к «водородной экономике» как к решению проблемы снижения углеродных выбросов. Вместо того чтобы заменять всю нашу инфраструктуру - полагающуюся на твердое и жидкое топливо - мы просто заменяем топливо. Топливо вроде водорода или этанола можно производить при помощи солнечной энергии, как в искусственном фотосинтезе, так что мы продолжим использовать жидкое топливо с меньшим ущербом окружающей среде. Всеобщая электрификация может быть более сложным процессом, чем просто переход от бензина к этанолу. Искусственный фотосинтез определенно стоит исследовать. И за последние годы были сделаны большие шаги. Мощные инвестиции от правительственных и благотворительных фондов вливаются в солнечное топливо. Исследуется несколько разных фотохимических процессов, некоторые из которых уже обладают потенциалом быть более эффективными, чем даже растения.
В сентябре 2017 года Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли описала новый процесс, который может превращать CO2 в этанол, который затем можно использовать в качестве топлива, и этилен, который нужен для производства полиэтиленового пластика. Это стало первой демонстрацией успешного преобразования диоксида углерода в топливо и прекурсоры пластика.
В недавно опубликованной работе в Nature Catalysis обсуждалась техника, при которой фотоэлектрические панели подключаются к устройству, электролизующему диоксид углерода. Затем анаэробный микроб превращает диоксид углерода и воду, пользуясь электрической энергией, в бутанол.
Они отметили, что их способность превращать электроэнергию в желаемые продукты была эффективна почти на 100%, а система в целом смогла достичь 8% эффективности преобразования солнечного света в топливо. Может показаться, что это небольшая цифра, но 20% - это прекрасно для солнечных панелей, напрямую преобразующих солнечный свет в электричество; даже самые продуктивные растения, такие как сахарный тростник и просо, набирают не больше 6% эффективности. То есть это сопоставимо с биотопливом, которое в настоящее время используются, вроде кукурузного биоэтанола, так как кукуруза менее эффективна в преобразовании солнечного света в накопленную энергию.
Другие формы искусственного фотосинтеза сосредоточены на водороде как возможном топливе. Исследователи из Гарварда недавно представили впечатляющую версию «бионического листа», который может превращать солнечную энергию в водород. Одним из главных его преимуществ является то, что его эффективность быстро растет, если дать ему «подышать» чистым углекислым газом. Если мы собираемся жить в будущем, в котором огромные объемы диоксида углерода извлекаются из атмосферы, теперь у нас будет весьма неплохое для них применение. Хотя в последнее время люди недолюбливают эту идею (термодинамика использования электричества для расщепления воды на водород и кислород не всегда идеальна), все еще проводятся исследования на тему топливных ячеек для автомобилей и водорода для обогрева домов, особенно в Японии.
Одна из проблем, связанных с любыми усилиями по созданию искусственного фотосинтеза, состоит в том, что чем больше шагов у вас будет в процессе конверсии, тем больше энергии будет потеряно на этом пути. Использование электрифицированных приборов с энергией, вырабатываемой напрямую от солнца, будет куда более эффективным, чем любая схема по превращению электричества и диоксида углерода в топливо, которое вы затем будете сжигать для восстановления доли электрического ввода.
Кроме того, с экологической и практической точки зрения, строительство миллиардов искусственных растений может оказаться куда менее осуществимым, чем посев семян для нескольких хорошо выбранных видов биотоплива. С другой стороны, эти растения зачастую требуют хорошей почвы, которая быстро ухудшается из-за сельскохозяйственного давления. Биотопливо уже заподозрили в использовании земли, которая могла бы накормить растущее население. Плюс искусственного фотосинтеза в том, что вы можете увидеть, как эти «растения» процветают в пустыне или даже в океане.
Как это часто бывает, мы черпаем вдохновение у природы - но понять ее, подчинить и даже улучшить представляет для нас проблему.