211service.com
Sacensības, lai izgudrotu mākslīgo lapu
Šajā viņa jaunās grāmatas fragmentā Saules pieradināšana , Varuns Sivarams seko divu konkurējošu zinātnieku pētniecības ceļiem, kuri ir apņēmušies atrast veidu, kā no zila gaisa izspiest degvielu. 2018. gada 21. februāris
Santu Mustonens
Kopš 1970. gadu sākuma zinātnieki ir centušies izstrādāt tehnoloģiju, kas varētu radīt šķidro kurināmo no oglekļa dioksīda, ūdens un saules gaismas daudz efektīvāk nekā fotosintēze, process, kurā augi izmanto saules gaismu, lai ražotu ogļhidrātus un uzglabātu enerģiju. Viņi to sauc par mākslīgo lapu.
Komerciāli dzīvotspējīga mākslīgā lapa atrisinātu vairākas vissarežģītākās problēmas tīras enerģijas jomā. Tas radītu veidu, kā tieši un izdevīgi uzglabāt saules enerģiju, vienlaikus ražojot oglekļa neitrālu degvielu, kas varētu pārveidot transporta nozari, pat piedāvājot veidu, kā padarīt tālsatiksmes aviopārvadājumus videi draudzīgus.
Šis stāsts bija daļa no mūsu 2018. gada marta numura
- Skatiet pārējo izdevuma daļu
- Abonēt
Zinātnieki ir guvuši lēnu, bet ievērojamu progresu divos izšķirošajos procesa posmos: izstrādājot katalizatorus, kas izmanto saules enerģiju, lai sadalītu ūdeni skābeklī un ūdeņradi, un radot citus katalizatorus, kas var pārvērst ūdeņradi un oglekļa dioksīdu enerģijas blīvā degvielā. Atlikušais triks ir apvienot šos uzdevumus pieejamā un mērogojamā veidā, izmantojot lētus un bagātīgus materiālus.
Nākamajā izvilkumā no savas jaunās grāmatas Varuns Sivarams, fiziķis un Ārējo attiecību padomes līdzstrādnieks, pēta divu konkurējošu zinātnieku neseno progresu un atšķirīgos pētniecības ceļus, kuri ir apņēmušies beidzot piegādāt un komercializēt mākslīgo lapu: Neitans Lūiss no Caltech un Daniels Nočera Hārvardas universitātē.
Nesen mierīgā Beverlihilsas vakarā Ārējo attiecību padomes locekļi pulcējās viesnīcā Peninsula, lai klausītos, kā zinātnieks dalās savā redzējumā par mākslīgās lapas izveidi.
No vadītāju un bijušo vēstnieku kolekcijas lielākā daļa nebija pārliecināti, ko sagaidīt. Kad es iepazīstināju ar runātāja akreditācijas datiem, daži apmainījās nervoziem skatieniem, iespējams, gatavojoties kādai neskaidrai fizikas lekcijai.
Taču mans viesis tajā vakarā Neits Lūiss, Kalifornijas Tehnoloģiju institūta (Caltech) profesors, zinātnieku vidū ir retums, jo viņš spēj apvienot sarežģītus jēdzienus neaizmirstamos skaņu fragmentos un iepīt savus pētījumu virzienus saistošā stāstā. Lūiss, kura sirmie mati liecina par gadu desmitiem, ko viņš pavadījis, dzenoties pēc mākslīgās lapas, izteica savas piezīmes par saules enerģijas nākotni ar šo drosmīgo atrunu: Vai nevar uzglabāt? Pēc četriem nav spēka.
Šī neveiksme, viņš iebilda savā zemajā, pievilcīgajā balsī, nozīmē, ka mums steidzami jāizstrādā tehnoloģijas, kas spēj uzglabāt saules enerģiju kurināmā, ko var izmantot, kad nepieciešams. Viņa izvēlētais ceļš, integrēts saules enerģijas ģenerators, ir eleganta ierīce, kas uzņem ūdeni un saules gaismu un izspiež gāzveida ūdeņradi un skābekli. Šo ūdeņradi pēc tam var izmantot transportlīdzekļu degvielai, elektroenerģijas ražošanai tīklam vai izmantot kā izejvielu sarežģītākas degvielas, piemēram, benzīna, ražošanai.
Lūiss, arī galvenais pētnieks federāli finansētajā Apvienotajā mākslīgās fotosintēzes centrā, vēlas, lai viņa mākslīgā lapa būtu labāka par dabas labākajiem augiem. Neskatoties uz visiem saviem panākumiem, augi ir briesmīgi, pārvēršot saules gaismu enerģijā. Pat ja jūs neko nezināt par to, kā darbojas fotosintēze, pēc lapu zaļās krāsas varat saprast, ka pilnīgi efektīva enerģijas pārveidošana var nebūt auga galvenā prioritāte (melnās lapas daudz labāk absorbētu saules starus). Zaļie hloroplasti lapu šūnās darbojas pietiekami labi augu vajadzībām. Viņi veic sarežģītas ķīmiskas reakcijas, kas, pateicoties saules enerģijai, pārvērš oglekļa dioksīdu un ūdeni enerģiju uzkrājošos cukuros, kas nepieciešami tādām darbībām kā izdzīvošana un vairošanās. Kad viss ir pateikts un izdarīts, visefektīvākie augi gandrīz 1 procentu no ienākošās saules gaismas pārvērš uzkrātajā enerģijā.
Veģetācija tomēr piedāvā vispārīgu modeli saules gaismas pārvēršanai degvielā. Fotosintēzes sākumā augi sadala ūdeni un rada ūdeņradi un skābekli. Skābeklis nonāk atmosfērā, bet ūdeņradis tiek ievadīts turpmākajās ķīmiskajās reakcijās.
Tas, kā augi veic šo ūdens sadalīšanu, ir pamācošs. Pirmā mācība ir tāda, ka tās atdala divas ūdens sadalīšanas ķīmiskās reakcijas puses, tas ir, pusreakcijas, kas ražo ūdeņradi un skābekli. Evolution nebija piromāns, un šī dizaina izvēle neļauj ūdeņradim spontāni aizdegties skābekļa klātbūtnē. Otrkārt, iekārta satur katalizatorus vai molekulas, kas paātrina pusreakcijas. Treškārt, augi atdala abas pusreakcijas ar membrānu, kas ne tikai atdala ūdeņradi un skābekli, bet arī ļauj lādētiem joniem iziet cauri tai, kas ir svarīgi, lai izvairītos no lādiņa nelīdzsvarotības.
Pētniekiem, kas izstrādā saules enerģijas ģeneratorus, arī ir jāsaliek līdzīgs komponentu komplekts. Divi materiāli, kas pazīstami kā fotoelektrodi, ir iegremdēti ūdenī un absorbē gaismas enerģiju, lai veiktu katru no divām pusreakcijām ūdens sadalīšanai. Divi katalizatori paātrina katru no šīm pusreakcijām. Un membrāna neļauj eksplodēt visam aprīkojumam, ko sauc par fotoelektroķīmisko šūnu (PEC).
Bet ar to līdzības beidzas. Kā Lūiss mīl teikt, pēc iedvesmas no putniem ar putniem, cilvēki atmeta spalvas un izgudroja 747. Atšķirībā no augiem, nākotnes saules degvielas ģeneratori, iespējams, neizmantos divus zaļus fotoelektrodus, kas konkurē viens ar otru, lai absorbētu vienu un to pašu putnu daļu. saules spektrs. Drīzāk vienam no tiem — anodam, kas rada skābekli no ūdens — vajadzētu izmantot gaismas krāsas virzienā uz spektra zilo galu un ļaut krāsām pret spektra sarkano galu, lai tās absorbētu zemāk esošais katods. ražo ūdeņradi.
Lai ražotu enerģiju par pieņemamu cenu, būs nepieciešami ārkārtīgi lēti un bagātīgi materiāli. Bet tas nav viss, kas jādara PEC. Lai gūtu panākumus, tam patiešām ir jābūt ne tikai lētam, bet arī drošam, izturīgam un efektīvam. Diemžēl līdz šim pētniekiem ir izdevies izveidot tikai ierīces ar ne vairāk kā trim no šīm četrām īpašībām.
Sāciet ar drošību. Lai novērstu ūdeņraža un skābekļa apvienošanos un eksploziju, PEC ir nepieciešama membrāna, kas atdala abas pusreakcijas. Bet pusreakcija, kas ražo skābekli no ūdens, arī padara šo ūdeni skābu, savukārt pusreakcija, kas ražo ūdeņradi, pārvērš tuvumā esošo ūdeni par bāzisku. Zinātniekiem ir jāatrod materiāli fotoelektrodiem un katalizatoriem, kas nešķīst vai nerūsē skābā vai bāziskā vidē. Šis pieprasījums izslēdz daudzus lētus materiālus, kas šādos apstākļos neizdzīvotu. Tāpēc, izgatavojot saules enerģijas ģeneratoru no lētiem materiāliem un aprīkojot to ar membrānu, lai nodrošinātu drošību, tas var neizturēt robustuma testu.
Pēc tam apsveriet saules enerģijas daudzumu, ko ierīce pārvērš enerģijā, kas tiek uzglabāta kā ūdeņradis. Šī efektivitāte ir atkarīga no tā, cik labi fotoelektrodi kopā absorbē saules gaismu un cik ātri abas pusreakcijas sadala ūdeni. Ar rūpīgi izvēlētiem fotoelektrodiem un katalizatoriem saules degvielas ģenerators teorētiski var sasniegt vairāk nekā 30 procentu efektivitāti. Dārgi pusvadītāji piedāvā daudzveidīgu materiālu bufeti, no kuriem izvēlēties, bet lētāki savienojumi piedāvā daudz ierobežotāku ēdienkarti. Līdzīgi dārgmetālu katalizatori, piemēram, platīns, lieliski paātrina reakcijas, taču tie ir reti sastopami un dārgi. Lūisa vadītā starpdisciplinārā pētnieku komanda sāka izmantot milzīgu skaitļošanas jaudu, lai atrastu materiālus, kas varētu atbilst visiem četriem kritērijiem, sistemātiski simulējot tūkstošiem savienojumu un izmēģinot daudzsološākos kandidātus laboratorijā.
Vecā labā zinātniskā intuīcija arī spēlēja nozīmīgu lomu pētniecības procesā, tāpat kā nedaudz veiksmes. Izceļas divi piemēri. Pirmkārt, Lūiss un viņa līdzstrādnieki iedvesmu smēluši katalizatoros, ko izmanto naftas pārstrādes rūpnīcās, lai atdalītu gaisu piesārņojošo sēru no naftas produktiem. Šie katalizatori ir lēti, un tie lieliski paātrina pusreakciju, kas rada ūdeņradi. (Diemžēl pētnieki joprojām meklē lētu, efektīvu katalizatoru skābekli veidojošajai pusreakcijas reakcijai.)
Otrkārt, Lūisa laboratorijas pētnieki nejauši pārklāja savus paraugus ar plānu titāna dioksīda slāni un atklāja pārsteidzošu rezultātu. Titāna dioksīds ir galvenā sauļošanās līdzekļa sastāvdaļa, kas aizsargā jūsu ādu, bloķējot ultravioletos saules starus. Tomēr šeit īpaši plānajam pārklājumam bija pavisam cita loma, aizsargājot fotoelektrodus un katalizatorus no pamata šķīduma apēsta.
Kopā no naftas nozares aizgūtais ieskats un nejaušais saules aizsarglīdzekļa atklājums ļāva Lūisam un kolēģiem Caltech pētniekiem panākt izrāvienu. 2015. gadā viņi paziņoja par integrētu saules enerģijas ģeneratoru, kas bija par vairāk nekā 10 procentiem efektīvs, pārvēršot saules gaismu ūdeņraža degvielā. Pati efektivitāte nebija nekāds liels lēciens — citi bija sasnieguši 22 procentu efektivitāti. Bet Caltech ierīcē tika izmantoti lēti, ar zemi bagāti katalizatori, un tā spēja izsūknēt ūdeņradi divu nepārtrauktas darbības dienu laikā. Kā koncepcijas pierādījums tas apšaubīja komerciāli dzīvotspējīga produkta iespēju.
Ja un kad šī tehnoloģija noved pie komerciāla produkta, maz ticams, ka tā līdzinās lapām, kas to iedvesmoja. Lūiss iztēlojas brezentu, kas izvelts plašā plašumā, lai absorbētu saules starus, un notekcaurules, lai savāktu tā radīto ūdeņradi. Tas ir ļoti tālu no viņa komandas izveidotā viena kubikcentimetra prototipa, taču, klausoties Lūisa redzējumā, ir grūti nesapņot par lielu.
Svētais Grāls
Visā valstī no Neita Lūisa arī cits atzīts zinātnieks cenšas komercializēt mākslīgo lapu. Tāpat kā Lūiss, Dens Nočera no Hārvardas universitātes veikli apvieno zinātni un komunikāciju, mēness gaismu kā zinātnes slavenību — kaut ko līdzīgu Kārlim Saganam saules enerģijas degvielai. Viņam ir prasme sazināties ar dažādām auditorijām, sākot no Amerikas Fizikas biedrības zinātniskajām sapulcēm un beidzot ar Aspenas institūta virsotnēm. Ja viņa pūlis ēd ar steiku, viņš tos sasildīs, jautājot: ko tu tikko košļāji? Saule! Liellopu gaļa bija tikai saules gaismas enerģija.
Lai gan Lūisam un Nocerai ir kopīgi sirmi mati, spēja piesaistīt plašu auditoriju un viens un tas pats vadītājs, kad viņi mācījās aspirantūrā, viņu pieejas mākslīgās lapas realizācijai ir krasi atšķirīgas, kā rezultātā rodas spraiga profesionāla sāncensība. Kamēr Lewis ir vērsts uz ūdeņraža ražošanu ar lāzeru, Nocera vēlas lēcienveidīgi izmantot ūdeņradi un izveidot ierīci, kas izmanto saules gaismu, lai tieši ražotu ērtu, oglekli saturošu degvielu, kas var nekavējoties aizstāt mūsdienu naftas produktus.
Kādu laiku Nocera bija apmierināts, koncentrējoties tikai uz ūdeņraža ražošanu. 2011. gadā viņš piesaistīja zinātniskās pasaules uzmanību, ūdens glāzē iemetot to, kas izskatījās pēc tumšas pastmarkas, izraisot ūdeņraža un skābekļa burbuļošanu abās pusēs. Neraugoties uz vienkāršību, viņa mākslīgā lapa bija 30 gadu pētījumu kulminācija, sniedzoties atpakaļ uz laiku, kad viņš bija Caltech absolvents. Pēc izrāviena Nocera nolēma laist tirgū savu jauno tehnoloģiju.
Diemžēl viņš gatavojās apgūt mācību, ko ir apguvis gandrīz katrs cits Silīcija ielejas tīrās enerģijas jaunizveidotais uzņēmums: nāk patiešām grūtā daļa. pēc veicot aizraujošu laboratorijas atklājumu. Viņš vēlāk žēlos, es veicu zinātnes svēto grālu. Lieliski! Tas nenozīmē, ka es veicu tehnoloģiju svēto grālu. Un tas ir tas, ko zinātnieki un profesori nesaņem. Viņa jaunizveidotais uzņēmums Sun Catalytix beidzot atteicās no saules enerģijas, lai tā vietā izstrādātu baterijas, lai uzglabātu enerģiju elektrotīklam (2014. gadā uzņēmums Lockheed nopirka par neizpaužamu summu).
Taču šī pieredze nav atturējusi viņu no svēto grālu dzīšanās, tāpēc tagad Nocera tiecas uz vēl grūtāku mērķi izmantot saules gaismu, ūdeni un oglekļa dioksīdu, lai ražotu šķidro degvielu uz oglekļa bāzes. Šādas tehnoloģijas paredzamās priekšrocības ir pārliecinošas. Šķidrajai degvielai jau ir milzīgi globāli infrastruktūras tīkli, tostarp uzglabāšanas telpas, transkontinentālie cauruļvadi un naftas supertankuģi, nemaz nerunājot par visuresošām degvielas uzpildes stacijām visā pasaulē. Ierīce, kas varētu pārveidot saules gaismu jau plaši izmantotā degvielā, varētu izmantot šo infrastruktūru.
Lūiss apgalvo, ka visdaudzsološākais veids, kā no saules gaismas iegūt oglekli saturošu degvielu, ir saules radītais ūdeņradis kā starpnieks. No turienes labi saprotami rūpnieciskie procesi varētu apvienot ūdeņradi ar oglekļa dioksīdu, kas iegūts no rūpnīcām un spēkstacijām, kas sadedzina fosilo kurināmo, lai ražotu virkni noderīgas degvielas, kas pazīstamas kā ogļūdeņraži. Saules enerģijas pārstrādes rūpnīca varētu radīt tādu pašu ogļūdeņražu degvielu klāstu, ko šodien ražo naftas pārstrādes rūpnīcās un pēc tam izmanto kā transporta degvielu vai pārvērš dažādos produktos, sākot no plastmasas līdz farmaceitiskajiem produktiem.
Lai cik futūristiski tas izklausītos, Nocera vēlas darīt kaut ko vēl grūtāku. Viņš vēlas apiet ūdeņraža starpproduktu ražošanu un izmantot saules gaismu, ūdeni un oglekļa dioksīdu, lai tieši ražot oglekli saturošu degvielu. Ja šo manevru varētu veikt rentabli un apjomīgi, tā būtu visefektīvākā, vienreizējā metode saules gaismas uzglabāšanai visdaudzpusīgākajā cilvēcei zināmajā degvielā.
No zinātniskā viedokļa šis uzdevums šķiet gandrīz neiespējams. Vienkārši sadalīt ūdeni, lai radītu ūdeņradi un skābekli, ir pietiekami grūti. Taču radīt vienkāršāko ogļūdeņražu — viena oglekļa metānu, kas veido dabasgāzi — ir daudz sarežģītāks piedāvājums. Tam būs nepieciešams atklāt vēl vairāk jaunu materiālu, lai absorbētu gaismu un katalizētu ķīmiskās reakcijas. Rezultātā komerciāla tehnoloģija, ar kuras palīdzību iegūt oglekli saturošu degvielu tieši no saules enerģijas, ir daudz tālāk par tehnoloģiju, kas spēj ražot ūdeņradi.
Tomēr pēdējo trīs gadu laikā Nocera ir panākusi virkni neticamu izrāvienu. Pirmā bija konceptuāla maiņa: tā vietā, lai izmantotu cilvēka radītas ierīces, lai pārspētu fotosintēzi, kāpēc gan neizmantot dabu? Nocera zināja, ka daba izmanto sarežģītus enzīmus kā fotosintēzes katalizatorus, lai pārvērstu saules gaismu sarežģītos cukuros. Viņš saprata, ka ģenētiski modificētas baktērijas var uzvesties līdzīgi pēc tam, kad tās ir aprīkotas ar spēcīgu enzīmu arsenālu.
Tāpēc 2015. gadā Nocera izveidoja hibrīda ierīci, kas vispirms sadalīja ūdeni, izmantojot neorganisku katalizatoru, lai iegūtu ūdeņradi, kā to dara citas mākslīgo lapu tehnoloģijas. Pēc tam šī pati ierīce ūdeņradi kopā ar tīru oglekļa dioksīdu padeva baktērijām, kas ražoja šķidro degvielu. Bet, lai gan kļūdas lieliski pārveidoja oglekļa dioksīdu un ūdeņradi dažādās degvielās, tās nebija savienojamas ar neorganisko katalizatoru, kas radīja reaktīvā skābekļa formas, kas iznīcināja baktēriju DNS.
Pēc tam 2016. gadā Nocera un kolēģi publicēja rakstu žurnālā Zinātne triumfējoši paziņojot par jaunu katalizatoru, kas izgatavots no kobalta-fosfora sakausējuma. Tas ne tikai atstāja baktērijas neskartas, bet arī paši savāca no šķīduma, atdarinot dabā atrodamos pašatjaunojošos katalizatorus. Katalizatoram un baktērijām strādājot kopā, Nocera ierīce spēja sasniegt 10 procentu efektivitāti, pārvēršot saules gaismu spirta degvielā. Nocera ziņoja, ka kļūdām jāspēj ražot vairākas citas oglekli saturošas molekulas dažādiem lietojumiem, sākot no transportlīdzekļu degvielas uzpildes līdz plastmasas ražošanai. Un viņš tam sekoja, 2017. gadā demonstrējot, ka hibrīda katalizatora un baktēriju pieeja var fiksēt slāpekli atmosfērā, lai iegūtu amonjaku. Tas ir vilinošs atklājums, jo vairāk nekā 1% globālās enerģijas mūsdienās tiek izmantots amonjaka ražošanā, lai mēslotu labību un pabarotu pasauli. Nocera prototips liecina, ka kādu dienu saules gaisma varētu darbināt šo procesu, nevis fosilo kurināmo.
Žūrija joprojām nav pārliecināta, vai Nocera lēmums izmantot dzīvos organismus ir laba ideja. Patiešām, baktērijas ir diezgan smalkas, jutīgas pret savas vides skābumu un temperatūru, un tāpēc tās ir grūti noformēt. Pagaidām viedā nauda ir paredzēta ierīcēm, kas izmanto saules gaismu, lai ražotu ūdeņradi ātrāk nekā tās, kas mēģina tieši ražot uz oglekļa bāzes ražotu degvielu. Taču, apvienojot modernos materiālus ar dabas burvību, pētnieki vēl var pārlēkt uz vienkāršu ūdeņradi, meklējot dzīvotspējīgu ceļu uz galīgo svēto grālu: 100% tīru fosilā kurināmā aizstājēju.
Izvilkums no Saules pieradināšana: jauninājumi saules enerģijas izmantošanai un planētas barošanai autors Varuns Sivarams, publicējis MIT Press. 2018 Masačūsetsas Tehnoloģiju institūts. Visas tiesības aizsargātas.