Pasaules enerģijas vajadzību nodrošināšana ar gaismu un ūdeni

Kamēr pētnieki un tehnologi visā pasaulē cenšas atrast tīrākus enerģijas avotus, daži ķīmiķi pievēršas pašas dabas elegantajam risinājumam: fotosintēzei. Fotosintēzē zaļie augi izmanto saules gaismas enerģiju, lai sadalītu ūdeni un oglekļa dioksīdu. Sarežģītu ķīmisko reakciju virknē manipulējot ar elektroniem un ūdeņraža, skābekļa un oglekļa atomiem, process galu galā rada celulozi un lignīnu, kas veido auga struktūru, kā arī uzkrāto enerģiju cukura veidā. Saprotot, kā šis process darbojas, domā Daniels Nočera MIT ķīmijas profesors, varētu radīt veidus, kā ražot un uzglabāt saules enerģiju tādos veidos, kas ir praktiski piemēroti automašīnu darbināšanai un elektrības nodrošināšanai pat tad, ja saule nespīd.

Enerģijas atraisīšana: Daniels Nocera, MIT ķīmijas profesors, saka, ka fotosintēzes ķīmisko procesu fundamentālie pētījumi varētu novest pie sabiedrības, ko darbina ūdens un saules gaisma.

Saskaņā ar atzītā fotosintēzes eksperta Nocera teikto, ir nepieciešami sasniegumi mūsu izpratnē par ķīmiskajiem pamatprocesiem, kas padara iespējamu fotosintēzi. Viņš pēta fotosintēzes principus un pielieto apgūto, veidojot katalizatorus, kas izmanto saules enerģiju, lai radītu ūdeņraža gāzi kurināmā elementiem. Nocera mērķis: pasaule, ko darbina gaisma un ūdens.

Tehnoloģiju apskats : Kāds šobrīd ir lielākais izaicinājums saistībā ar enerģētiku?

Daniels Nočera : Patiesais enerģijas izaicinājums ir mērogošanas problēma. Mums būs šī milzīgā enerģijas nepieciešamība, un, kad sākat aplūkot visus skaitļus, ir tikai viens krājums, kam ir mērogs, un tā ir saule. Bet tā joprojām ir pētniecības problēma. Visas tehnoloģijas seko līnijām; tad ir atklājums un jauna līnija, kas ir labāka. Mēs šobrīd atrodamies ļoti paredzamā līnijā saules enerģijas jomā. Lielākā daļa lietu, par kurām jūs dzirdat, ir pakāpeniska attīstība.

BĒRNI : jūs studējat fotosintēzi, lai iegūtu idejas, kā pārvērst saules gaismu ķīmiskā degvielā — ūdeņradi — izmantošanai, kad saule nespīd, vai kurināmā elementu transportlīdzekļu darbināšanai.

DN : Jūs varat izmantot elektrību tieši, kad ir ārā saule, vietās, kur ir saule. [Bet] jums ir nepieciešama krātuve. Nav absolūti nekāda ceļa apiet to. Es destilēju fotosintēzes būtību, lai varētu to izmantot.

BĒRNI : Kāpēc fotosintēze ir pievilcīga, meklējot tīras enerģijas avotu?

DN : [Fotosintēze] veic trīs lietas. Tas uztver saules gaismu un [otrkārt] pārvērš to bezvadu strāvā — lapas kūsā no elektrības. Un, treškārt, tas uzglabā. Tas uzglabā pārveidoto gaismas enerģiju ķīmiskajā enerģijā. Un tas izmanto šo ķīmisko enerģiju savam dzīvības procesam, un tad tas nedaudz uzglabā.

Izrādās, [ka] fotosintēze ir viena no visefektīvākajām enerģijas pārveidošanas mašīnām pasaulē. Bet tas nav lieliski piemērots enerģijas uzglabāšanai, jo tas nav tas, kam [iekārta] tika uzbūvēta. Tā tika uzcelta, lai dzīvotu, augtu un vairoties.

Un tā ir mūsu pieeja. Vai tagad mēs varam darīt to, ko lapa dara mākslīgi, proti, uztveršanu, pārveidošanu un uzglabāšanu ķīmiskajās saitēs? Bet manai ierīcei nav jādzīvo: tā var patērēt daudz vairāk šīs enerģijas un ievietot to ķīmiskās saitēs.

BĒRNI : Un jums ir bijuši panākumi, liekot lietā to, ko esat iemācījušies.

DN : Mēs izveidojām savienojumu, kas ražo ūdeņradi, izmantojot gaismu. Mums ir kaut kas, ko varat izšķīdināt šķīdumā, apgaismot to, un ūdeņradis sāk burbuļot. Tas to nedarīja tik efektīvi. Bet tas bija liels progress, jo tajā bija daudz jaunu koncepciju, lai parādītu, kā jūs varat izmantot saules gaismu, lai iegūtu ūdeņradi.

BĒRNI : Kādas ir dažas no jūsu risinātajām pētniecības problēmām, kuras, jūsuprāt, var radīt lielu soli uz priekšu saules enerģijas jomā?

DN : Kaut kas, pie kā mēs patiešām esam smagi strādājuši, ir [izpratne] par projektēšanas principiem, pēc kuriem darbojas fotosintēze.

Viens ir tas, ka, kad [fotosintēze] sadala ūdeni ūdeņradī un skābeklī, tas izmanto vairāk nekā vienu elektronu. Šī strāva, kas darbojas, iet pa vienu elektronu. Bet tad [augs] tos uzglabā un izmanto četrus elektronus vienlaikus. Mēs nezinām, kā ļoti labi veikt vairāku elektronu reakcijas. Mums pat nav teoriju, lai tās aprakstītu.

Un tad jums ir jāpārvalda protoni, un tas ir tas, ko bioloģija dara patiešām labi. Tas paņem elektrisko strāvu un pēc tam to pārvērš ķīmiskā strāvā, un ķīmisko strāvu vada protoni. Un tad tas sūta atomus. Fotoelements sūta elektronus uz punktu. Fotosintēze faktiski sūta nevis elektronu, bet atomu. Un tas ir vēl grūtāk izdarāms, jo atomi ir tik daudz smagāki par elektroniem. Tāpēc mēs esam dziļi sapratuši, kā pārvietot atomus [piemēram, ūdeņraža atomus] no punkta A uz punktu B, lai tie varētu savienoties viens ar otru? Kā jūs tos saliekat, lai viņi varētu apvienoties?

BĒRNI : Jūs esat rakstījis, ka ķīmijai, visticamāk, būs galvenā loma no visām zinātnēm enerģētikas problēmu risināšanā. Kā jūs apkopotu ķīmijas lomu?

DN : Spēļu mainītājiem tas ir ļoti vienkārši. Ir trīs.

Padariet fotoelementus par lētu, kas ir daudz ķīmijas. Tas izgudro jaunus materiālus, lai PV padarītu lētu.

Nomainiet cēlmetālus, piemēram, platīnu, ar lielu daudzumu metālu. Jo nav pietiekami daudz lietu. Kad jūs runājat par tik lielu mērogu, labāk izmantojiet tādas lietas kā dzelzs un mangāns. Labāk paskatieties uz savu grāmatu, kurā ir norādīts, kādi elementi ir visizplatītākie uz zemes.

BĒRNI : Un tas ir paredzēts kurināmā elementiem un arī fotoelementiem.

DN : Fotoelementi — viss. Tā ir īstā tehnoloģiju problēma, kas jums jāpatur prātā. Tas nav nekas tik lielisks, tas ir 100% efektīvs — un, starp citu, es izmantoju rutēniju. Tagad es varu izmantot rutēniju, lai iemācītu man principu, bet rutēnijs ir zemāks par dzelzi [periodiskajā tabulā]. Tāpēc es labāk izdomāju, kā es varu izmantot visu, ko es mācos ar rutēniju, un pielietot to dzelzs?

BĒRNI : Un trešais spēles mainītājs?

DN : Sadaliet ūdeni ar gaismu. Jūs veicat šīs trīs lietas, un jums ir pilnīgi jauna enerģijas ekonomika. Man ir grūti precīzi pateikt, kā šī tehnoloģija izskatīsies, jo trūkst zinātnes. Bet 1900. gadu sākumā mēs izveidojām veselu sabiedrību, kuras pamatā bija jauna energosistēma. Un es ticu, ka tad, kad saules enerģija būs vietā, ar biodegvielas palīdzību, ar nelielu vēja palīdzību mēs atkal izgudrosim savu sabiedrību no jauna enerģijas avota.

paslēpties