Ideālā degviela

Saulainā dienā Kalifornijas universitātes pilsētiņā Bērklijā mierīgā eikalipta koku šalkoņa atspēko niknās ķīmiskās aktivitātes, kas notiek katrā lapā. Izmantojot fotosintēzi, lapas izmanto saules gaismas enerģiju, lai pārvērstu ūdeni un oglekļa dioksīdu augiem nepieciešamās vielās, izdalot tikai skābekli. Netālu esošajā laboratorijā ķīmiķis Peidongs Jangs veido mākslīgu sistēmu, kas dara to pašu, izmantojot nanovadu blokus, kas savienoti ar inženierijas baktērijām. Ja kaut kas tamlīdzīgs kādreiz tiks palielināts, tas radītu labāku pašlaik lietojamo degvielu versiju — tādu, kas nepalielina kopējo oglekļa dioksīda daudzumu gaisā.

Peidongs Jangs

Fotosintēzi laboratorijā ir bijis ļoti grūti atdarināt. Septiņdesmitajos gados Tokijas universitātes pētnieki pirmo reizi pierādīja, ka ar saules enerģiju darbināma ierīce spēj paveikt to, ko augi dara pirmajā fotosintēzes posmā: sadalīt ūdeni ūdeņradī un skābeklī. Pēc sākotnējās aktivitātes uzliesmojuma lauks apstājās. Taču tas ir atdzimis vairākās laboratorijās, pateicoties jaunai uzmanībai enerģētikas problēmai un klimata pārmaiņām, kā arī jaunu tehnoloģiju parādīšanās dēļ.

1. Šis mazais reaktors, kas piepildīts ar ķīmiskiem prekursoriem un ūdeni, tiek karsēts krāsnī, lai audzētu titāna dioksīda nanovadus.

2. Silīcija nanovadi tiek audzēti no gāzveida prekursoriem, kas plūst caur šo reaktoru.

3. Silīcija nanovadus var audzēt arī uz lielākām virsmām, piemēram, šīs vafeles. Tas tiek sagriezts gabalos, kas kalpo kā elektrodi ierīces iekšpusē.

4. Šajā inkubatorā esošās baktērijas tiks iesētas uz elektroda, lai tās darbotos kā dzīvi katalizatori.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2016. gada janvāra numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Janga laboratorija uzlabo pamata dizainu, kas tika izstrādāts 1970. gados Nacionālajā atjaunojamās enerģijas laboratorijā. Tam ir divi gaismas jutīgi elektrodi, kas pārklāti ar katalizatoru - Yang izmanto niķeli, kas ir lēts -, kas kopā sadala ūdeni skābeklī un ūdeņradi. Sākotnējā iestatījumā elektrodi bija plakani, bet Yang tā vietā izmanto nanovadu blokus, kas izgatavoti no silīcija un citiem pusvadītājiem. Tā kā nanovadiem ir 100 reizes lielāks nekā plakano elektrodu virsmas laukums, kas varētu ietilpt tajā pašā telpā, tie var saturēt vairāk katalizatora, ievērojami palielinot reakcijas efektivitāti.

Tomēr ūdens sadalīšana ir vieglākā fotosintēzes puse. Augi iet tālāk, izmantojot ūdeņradi no ūdens reakcijās, kas pārvērš oglekli no gaisa sarežģītās molekulās. Arī Jans vēlas to darīt. Galu galā mūsu lidmašīnas un automašīnas nedarbojas ar ūdeņradi; tiem nepieciešams benzīns un cita ķīmiski sarežģīta degviela.

5. Šīs ierīces iekšpusē gaisma iedarbina reakciju, kurā ūdens un oglekļa dioksīds tiek pārvērsti degvielā. Caurules nodrošina reakcijas blakusproduktu — tīrs skābeklis — izbēgt.

6 un 7. Dažas baktērijas sistēmā ražo metānu, ko var izmantot tieši kā degvielu; citi ražo acetātu, ko izbaro citām ģenētiski modificētām baktērijām, lai ražotu degvielu un plastmasu. Šeit, inženierijas E. coli barojas ar acetātu.

8. Lai pārbaudītu, vai baktērijas ir radījušas vajadzīgo ķīmisko vielu, tiek izmantoti analītiskie instrumenti, tostarp masas spektrometri. Līdz šim sistēma ir tikpat efektīva kā dabiskā fotosintēze.

Lai katalizētu šo procesa daļu, Jans paļaujas uz citu tehnoloģiju, kas 70. gados nebija pieejama. Viņš un kolēģi ir parādījuši, ka ģenētiski modificētas baktērijas, kas atrodas nanovadu vidū, darbojas kā dzīvi katalizatori. Tie uzņem no ūdens sadalīto ūdeņradi un apvieno to ar oglekļa dioksīdu, lai iegūtu metānu un citus ogļūdeņražus, kas nepieciešami degvielai vai plastmasai. Kļūdas to dara ar dabīgiem enzīmiem, kas veic virkni reakciju, ko ķīmiķi vēl nav spējuši apgūt ar sintētiskiem katalizatoriem.

Janga sistēma pašlaik atbilst fotosintēzes efektivitātei, uzglabājot mazāk nekā 1 procentu no saules gaismas uztvertās enerģijas ķīmisko saišu veidā. Tas nav slikti koncepcijas pierādījuma demonstrācijai, taču ļoti svarīgi būs padarīt to efektīvāku un tādējādi rentablu.

Jans cer beidzot pāriet uz sintētiskiem katalizatoriem, nevis baktērijām, kuras ir sarežģīti uzturēt dzīvas. Taču pilnīga kļūdu novēršana var nebūt nepieciešama, ņemot vērā steidzamo vajadzību pēc tīras degvielas. Ja tai ir jābūt hibrīdai pieejai, tas ir labi, viņš saka.

paslēpties