Fotosyntese: fundamental mekanisme for liv på denne planet, plage for GCSE biologistuderende og nu en potentiel måde at bekæmpe klimaændringer på. Forskere arbejder hårdt på at udvikle en kunstig metode, der efterligner, hvordan planter bruger sollys til at omdanne CO2 og vand til noget, vi kan bruge som brændstof. Hvis det virker, vil det være et win-win-scenarie for os: ikke kun vil vi drage fordel af vedvarende energi produceret på denne måde, men det kan også blive en vigtig måde at reducere CO2-niveauet i atmosfæren på.
Det tog imidlertid planter milliarder af år at udvikle fotosyntese, og det er ikke altid en let opgave at kopiere, hvad der sker i naturen. I øjeblikket fungerer de grundlæggende trin i kunstig fotosyntese, men ikke særlig effektivt. Den gode nyhed er, at forskningen på dette område tager fart, og der er grupper rundt om i verden, der tager skridt til at udnytte denne integrerede proces.
To-trins fotosyntese
Fotosyntese handler ikke kun om at fange sollys. Det kan et firben, der bader i den varme sol. Fotosyntese udviklede sig i planter som en måde at fange og lagre denne energi (“foto”-bitten) og omdanne den til kulhydrater (“syntese-bitten). Planter bruger en række proteiner og enzymer drevet af sollys til at frigive elektroner, som igen bruges til at omdanne CO2 til komplekse kulhydrater. Dybest set følger kunstig fotosyntese de samme trin.
"I naturlig fotosyntese, som er en del af det naturlige kulstofkredsløb, har vi lys, CO2 og vand, der går ind i planten, og planten laver sukker," forklarer Phil De Luna, ph.d.-kandidat, der arbejder ved Institut for Elektro- og Computerteknik på University of Toronto. ”I kunstig fotosyntese bruger vi uorganiske apparater og materialer. Selve solfangstdelen udføres af solceller, og energiomdannelsesdelen udføres af elektrokemiske [reaktioner i nærvær af] katalysatorer."
Det, der virkelig tiltaler denne proces, er evnen til at producere brændstof til langtidslagring af energi. Dette er så meget mere end hvad nuværende vedvarende energikilder kan gøre, selv med ny batteriteknologi. Hvis solen ikke er fremme, eller hvis det ikke er en blæsende dag, for eksempel, holder solpaneler og vindmølleparker simpelthen op med at producere. "For langvarig sæsonopbevaring og opbevaring i komplekse brændstoffer har vi brug for en bedre løsning," siger De Luna. "Batterier er gode til hverdag, til telefoner og endda til biler, men vi kommer aldrig til at køre en [Boeing] 747 med et batteri."
Udfordringer at løse
Når det kommer til at skabe solceller – det første trin i processen med kunstig fotosyntese – har vi allerede teknologien på plads: solenergisystemer. Nuværende solcellepaneler, som typisk er halvlederbaserede systemer, er dog relativt dyre og ineffektive i forhold til naturen. Der er brug for en ny teknologi; en, der spilder langt mindre energi.
Gary Hastings og hans team fra Georgia State University, Atlanta, er muligvis stødt på et udgangspunkt, når de så på den oprindelige proces i planter. I fotosyntesen involverer det afgørende punkt at flytte elektroner over en vis afstand i cellen. I meget enkle vendinger er det denne bevægelse forårsaget af sollys, der senere omdannes til energi. Hastings viste, at processen er meget effektiv i sin natur, fordi disse elektroner ikke kan gå tilbage til deres oprindelige position: "Hvis elektronen går tilbage til hvor den kom fra, så går solenergien tabt." Selvom denne mulighed er sjælden i planter, sker den ret ofte i solpaneler, hvilket forklarer, hvorfor de er mindre effektive end den ægte vare.
Hastings mener, at denne "forskning sandsynligvis vil fremme solcelleteknologier relateret til kemisk eller brændstofproduktion", men han er hurtig til at påpege, at dette kun er en idé i øjeblikket, og at dette fremskridt næppe vil ske i den nærmeste fremtid. "Med hensyn til fremstillingen af en fuldt kunstig solcelleteknologi, der er designet baseret på disse ideer, tror jeg, at teknologien er længere fremme i fremtiden, sandsynligvis ikke inden for de næste fem år selv for en prototype."
Et problem, forskere mener, vi er tæt på at løse, involverer det andet trin i processen: at omdanne CO2 til brændstof. Da dette molekyle er meget stabilt, og det kræver utrolig meget energi at bryde det, bruger det kunstige system katalysatorer til at sænke den nødvendige energi og hjælpe med at fremskynde reaktionen. Imidlertid bringer denne tilgang sit eget sæt af problemer. Der har været mange forsøg i løbet af de sidste ti år med katalysatorer lavet af mangan, titanium og kobolt, men langvarig brug har vist sig at være et problem. Teorien kan virke god, men de holder enten op med at virke efter et par timer, bliver ustabile, langsommere eller udløser andre kemiske reaktioner, der kan skade cellen.
Men et samarbejde mellem canadiske og kinesiske forskere ser ud til at have ramt jackpotten. De fandt en måde at kombinere nikkel, jern, kobolt og fosfor for at arbejde i en neutral pH-værdi, hvilket gør det betydeligt nemmere at køre systemet. "Da vores katalysator kan fungere godt i neutral pH-elektrolyt, som er nødvendig for CO2-reduktion, kan vi køre elektrolysen af CO2-reduktion i [et] membranfrit system, og dermed kan spændingen sænkes", siger Bo Zhang, fra Institut for Makromolekylær Videnskab ved Fudan University, Kina. Med en imponerende 64% elektrisk-til-kemisk strømkonvertering er holdet nu rekordholdere med den højeste effektivitet for kunstige fotosyntesesystemer.
"Det største problem med det, vi har lige nu, er skalaen"
For deres indsats nåede holdet semifinalerne i NRG COSIA Carbon XPRIZE, som kunne vinde dem $20 millioner for deres forskning. Målet er at "udvikle banebrydende teknologier, der vil konvertere CO2-emissioner fra kraftværker og industrianlæg til værdifulde produkter", og med deres forbedrede kunstige fotosyntesesystemer har de en god chance.
Den næste udfordring er opskalering. "Det største problem med det, vi har lige nu, er skalaen. Når vi skalerer op, ender vi med at miste effektivitet,” siger De Luna, der også var involveret i Zhangs undersøgelse. Heldigvis har forskere ikke udtømt deres liste over forbedringer og forsøger nu at gøre katalysatorer mere effektive gennem forskellige sammensætninger og forskellige konfigurationer.
Vinder på to fronter
Der er bestemt stadig plads til forbedringer på både kort og lang sigt, men mange føler, at kunstig fotosyntese har potentialet til at blive et vigtigt værktøj som en ren og bæredygtig teknologi for fremtiden.
»Det er utrolig spændende, fordi feltet bevæger sig så hurtigt. Med hensyn til kommercialisering er vi på vendepunktet," siger De Luna og tilføjer, at om det virker, "vil afhænge af en masse faktorer, som inkluderer offentlig politik og industriens vedtagelse af at acceptere vedvarende energiteknologi. ."
At få videnskaben rigtigt er altså kun det første skridt. I kølvandet på forskning udført af folk som Hastings og Zhang kommer det afgørende skridt til at absorbere kunstig fotosyntese i vores globale strategi omkring vedvarende energi. Indsatsen er høj. Hvis det slår igennem, står vi til at vinde på to fronter – ikke kun ved at producere brændstoffer og kemiske produkter, men også ved at reducere vores CO2-fodaftryk i processen.