Энергетики приручают искусственный фотосинтез

Американские ученые построили установку для осуществления искусственного фотосинтеза. Этот аппарат преобразовывает солнечный свет в водород и кислород по заимствованным у матушки-природы "технологиям". Овладение этим процессом с достаточным показателем КПД открывает новые возможности в создании новых систем возобновляемых источников энергии.

Фото:

"В зеленых растениях находятся хлоропласты, которые отвечают за осуществление процесса фотосинтеза. Подобно этому наша искусственная система состоит из двух полупроводниковых светопоглотителей, поверхностного слоя для переноса заряда и разделенных в пространстве катализаторов", — рассказывает научный руководитель проекта Ян Пэйдун из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, США .

Как известно из школьного курса биологии, углекислый газ и кислород являются основными газами в атмосфере. Их соотношение крайне важно для тех форм жизни, которые существуют на планете. Кислород используется большинством живых организмов для дыхания, а диоксид углерода перерабатывают в процессе фотосинтеза для создания необходимой органики растения, водоросли и цианобактерии.

Читайте также: Лёгкие планеты находятся в океане

Таким образом, весь циркулирующий в атмосфере кислород появился в ней благодаря процессу фотосинтеза. Создание такой атмосферы, получившее название кислородной катастрофы, кардинально изменило Землю. Согласно принятым ныне теориям, формирование озонового слоя, как защитного экрана, позволило жизни выбраться на сушу.

Нынешние показатели содержания углекислого газа в атмосфере превышают условно допустимый уровень. По данным приборов на гавайском вулкане Мауна-Лоа показатель достиг 400 долей на миллион. Такие параметры были характерны для крайне далекого от нас плиоцена — к этой эпохе (5,5-2,5 миллиона лет назад) современные ученые относят появление первых людей.

В научном сообществе повышение уровня углекислого газа в атмосфере вызывает опасения, так как с его концентрацией связывают возможность неконтролируемого нагрева земной поверхности с дальнейшим экологическим коллапсом и таянием ледников. И кстати, человечество, выпускает связанные растениями и накопленные в течение миллионов лет фотосинтеза соединения углерода путем сжигания ископаемого топлива.

Критической ученые называют концентрацию углекислого газа 450 долей на миллион — достижение этого порога запустит неконтролируемую цепную климатическую реакцию. Пока создаваемые людьми системы искусственного фотосинтеза не обладают достаточной мощностью, для воспроизводства значительных объемов необходимых веществ в результате использования солнечного света.

Но промежуточные результаты уже впечатляют. Американцы в лаборатории Беркли сумели освоить разложение воды с помощью солнечной энергии посредством создания древовидных структур нанопроводов, состоящих из кремния и оксида титана. Внешне такие структуры и напоминают технологический лес. Именно древовидная форма повышает эффективность работы этой системы. В таком виде наноструктуры сокращают отражение солнечного света и способны принимать лучи на больших площадях.

В результате известного процесса фотосинтеза особые молекулы хлорофилла улавливают энергию фотонов, которые запускают процессы химического преобразования "выбивая" электроны. Этот процесс приводит к расщеплению молекулы воды и образованию свободного кислорода и водорода. В разработанной в лаборатории Беркли схеме задействованы полупроводники кремний и диоксид титана в качестве соответственно фотокатода с выделением водорода и производящим кислород фотоанодом.

Эффективность преобразования пока низкая. Только 0,12 процента получаемой солнечной энергии становится энергией химической. Кстати, это вполне рабочий показатель для растений, но коммерческое внедрение требует большего КПД. И некоторые соображения на этот счет уже имеются. Ученые попробуют найти замену в аноде диоксиду титана, который не столь хорош по уровню фототока как кремний.

Нынешней зимой ученые из Университета Рочестера (Великобритания) представили новую водород-генерирующую систему, позволяющую с помощью солнечного света, нанокристалов и никелевого катализатора получать водородное топливо. По утверждениям ученых они используют самую работоспособную на сегодняшний день схему, которая позволяет выдавать водородный продукт на протяжении нескольких недель и показывает эффективность конвертации энергии солнца в водород в водном растворе в 36 процентов.

В свою очередь для приемки фотонов здесь используются селенид-кадмиевые квантовые точки (крохотные кусочки полупроводника, сохраняющие свойства атома) принимают два фотона и скидывают электроны на никелевый катализатор. Он запускает с их помощью образование протонов воды с образованием водорода.

Получаемый из зарослей и лесов нанопроводов установок искусственного фотосинтеза водород может массово использоваться в качестве безуглеродного топлива в двигателях внутренного сгорания, которые являются одним из ключевых источников загрязнения воздуха и повышения объемов парникового углекислого газа в атмосфере.

Уже создаются локальные установки искусственного фотосинтеза, способные заметно влиять на состав воздуха в небольших помещения. Несколько месяцев назад Panasonic показала систему искусственного фотосинтеза для удаления углекислого газ из воздуха в комнате. Разработчики применили нитридные полупроводники с металлическим катализатором, преобразующим углекислый газ в кислород и нелишние побочные продукты, такие как вода, углеводы и сахар.

Нетрудно предугадать и возможную прикладную эволюцию этого технического решения, предполагающую интеграцию с уже существующим технологиям в сфере гелиоэнергетики. Работающие таким образом элементы можно включать в состав выпускаемых солнечных батарей.

Дальнейшая сфера применения подобных установок и различных моделей искусственного фотосинтеза невероятно широка — от новых бесплатных и вечных источников энергии на земле, до терраформирования окружающих нас планет с целью их последующего заселения.