Fotosyntese: grunnleggende mekanisme for liv på denne planeten, plage for GCSE biologistudenter, og nå en potensiell måte å bekjempe klimaendringer. Forskere jobber hardt for å utvikle en kunstig metode som etterligner hvordan planter bruker sollys til å transformere CO2 og vann til noe vi kan bruke som drivstoff. Hvis det fungerer, vil det være et vinn-vinn-scenario for oss: ikke bare vil vi dra nytte av fornybar energi produsert på denne måten, men det kan også bli en viktig måte å redusere CO2-nivået i atmosfæren på.
Imidlertid tok det planter milliarder av år å utvikle fotosyntese, og det er ikke alltid en lett oppgave å gjenskape det som skjer i naturen. For øyeblikket fungerer de grunnleggende trinnene i kunstig fotosyntese, men ikke særlig effektivt. Den gode nyheten er at forskningen på dette feltet tar fart, og det er grupper rundt om i verden som tar skritt for å utnytte denne integrerte prosessen.
To-trinns fotosyntese
Fotosyntese handler ikke bare om å fange sollys. En øgle som bader i den varme solen kan gjøre det. Fotosyntese utviklet seg i planter som en måte å fange og lagre denne energien («foto»-biten) og konvertere den til karbohydrater («syntese»-biten). Planter bruker en rekke proteiner og enzymer drevet av sollys for å frigjøre elektroner, som igjen brukes til å omdanne CO2 til komplekse karbohydrater. I utgangspunktet følger kunstig fotosyntese de samme trinnene.
«I naturlig fotosyntese, som er en del av det naturlige karbonkretsløpet, har vi lys, CO2 og vann som går inn i planten, og planten lager sukker», forklarer Phil De Luna, en PhD-kandidat ved Institutt for elektro- og datateknikk ved University of Toronto. «I kunstig fotosyntese bruker vi uorganiske enheter og materialer. Selve solfangstdelen gjøres av solceller og energikonverteringsdelen gjøres av elektrokjemiske [reaksjoner i nærvær av] katalysatorer."
Det som virkelig appellerer med denne prosessen er muligheten til å produsere drivstoff for langsiktig energilagring. Dette er så mye mer enn hva dagens fornybare energikilder kan gjøre, selv med ny batteriteknologi. Hvis solen ikke er ute, eller hvis det ikke er en vindfull dag, for eksempel, slutter solcellepaneler og vindparker å produsere. "For langvarig sesonglagring og lagring i komplekse drivstoff trenger vi en bedre løsning," sier De Luna. "Batterier er gode for dag til dag, for telefoner og til og med for biler, men vi kommer aldri til å kjøre en [Boeing] 747 med et batteri."
Utfordringer å løse
Når det gjelder å lage solceller – det første trinnet i prosessen med kunstig fotosyntese – har vi allerede teknologien på plass: solenergisystemer. Nåværende solcellepaneler, som typisk er halvlederbaserte systemer, er imidlertid relativt dyre og ineffektive sammenlignet med naturen. En ny teknologi er nødvendig; en som sløser med mye mindre energi.
Gary Hastings og teamet hans fra Georgia State University, Atlanta, kan ha snublet på et utgangspunkt når de så på den opprinnelige prosessen i planter. I fotosyntesen innebærer det avgjørende punktet å flytte elektroner over en viss avstand i cellen. Enkelt sagt er det denne bevegelsen forårsaket av sollys som senere omdannes til energi. Hastings viste at prosessen er svært effektiv i naturen fordi disse elektronene ikke kan gå tilbake til sin opprinnelige posisjon: "Hvis elektronet går tilbake til der det kom fra, går solenergien tapt." Selv om denne muligheten er sjelden i planter, skjer den ganske ofte i solcellepaneler, noe som forklarer hvorfor de er mindre effektive enn den virkelige varen.
Hastings mener at denne "forskningen sannsynligvis vil fremme solcelleteknologier relatert til produksjon av kjemikalier eller drivstoff", men han er rask til å påpeke at dette bare er en idé for øyeblikket, og at dette fremskrittet neppe vil skje med det første. "Når det gjelder fabrikasjon av en fullstendig kunstig solcelleteknologi som er designet basert på disse ideene, tror jeg at teknologien er lenger unna i fremtiden, sannsynligvis ikke innen de neste fem årene selv for en prototype."
Et problem forskere mener vi er nærme på å løse involverer det andre trinnet i prosessen: å konvertere CO2 til drivstoff. Siden dette molekylet er veldig stabilt og det krever utrolig mye energi for å bryte det, bruker det kunstige systemet katalysatorer for å senke energien som kreves og bidra til å fremskynde reaksjonen. Imidlertid bringer denne tilnærmingen sine egne problemer. Det har vært mange forsøk de siste ti årene, med katalysatorer laget av mangan, titan og kobolt, men langvarig bruk har vist seg å være et problem. Teorien kan virke god, men de slutter enten å virke etter noen timer, blir ustabile, tregere eller utløser andre kjemiske reaksjoner som kan skade cellen.
Men et samarbeid mellom kanadiske og kinesiske forskere ser ut til å ha truffet jackpot. De fant en måte å kombinere nikkel, jern, kobolt og fosfor for å jobbe i en nøytral pH, noe som gjør driften av systemet betydelig enklere. "Siden vår katalysator kan fungere godt i nøytral pH-elektrolytt, som er nødvendig for CO2-reduksjon, kan vi kjøre elektrolyse av CO2-reduksjon i [et] membranfritt system, og dermed kan spenningen reduseres", sier Bo Zhang, fra Institutt for makromolekylær vitenskap ved Fudan University, Kina. Med en imponerende 64 % elektrisk-til-kjemisk kraftkonvertering er teamet nå rekordholdere med den høyeste effektiviteten for kunstige fotosyntesesystemer.
"Det største problemet med det vi har akkurat nå er skala"
For innsatsen sin nådde laget semifinalen i NRG COSIA Carbon XPRIZE, som kunne gi dem 20 millioner dollar for forskningen deres. Målet er å «utvikle banebrytende teknologier som vil konvertere CO2-utslipp fra kraftverk og industrianlegg til verdifulle produkter» og med sine forbedrede kunstige fotosyntesesystemer har de en god sjanse.
Neste utfordring er oppskalering. "Det største problemet med det vi har akkurat nå er skala. Når vi skalerer opp, ender vi opp med å miste effektivitet, sier De Luna, som også var involvert i Zhangs studie. Heldigvis har forskerne ikke uttømt listen over forbedringer, og prøver nå å gjøre katalysatorer mer effektive gjennom forskjellige sammensetninger og forskjellige konfigurasjoner.
Vinner på to fronter
Det er absolutt fortsatt rom for forbedring på både kort og lang sikt, men mange føler at kunstig fotosyntese har potensial til å bli et viktig verktøy som en ren og bærekraftig teknologi for fremtiden.
"Det er utrolig spennende fordi feltet beveger seg så raskt. Når det gjelder kommersialisering, er vi på vippepunktet,” sier De Luna, og legger til at om det fungerer “vil avhenge av mange faktorer, som inkluderer offentlig politikk og industriens vedtak om å akseptere fornybar energiteknologi. ."
Å få vitenskapen riktig er egentlig bare det første skrittet, da. I kjølvannet av forskning fra slike som Hastings og Zhang vil det avgjørende trekket komme for å absorbere kunstig fotosyntese i vår globale strategi rundt fornybar energi. Innsatsen er høy. Hvis det slår gjennom, står vi til å vinne på to fronter – ikke bare ved å produsere drivstoff og kjemiske produkter, men også redusere vårt karbonavtrykk i prosessen.