การสังเคราะห์ด้วยแสงประดิษฐ์: เทคโนโลยีสองในหนึ่งเดียวที่สามารถช่วยโลกได้

การสังเคราะห์ด้วยแสง: กลไกพื้นฐานของชีวิตบนโลกใบนี้ ความหายนะของนักศึกษาชีววิทยา GCSE และตอนนี้คือวิธีที่มีศักยภาพในการต่อสู้กับการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ นักวิทยาศาสตร์กำลังทำงานอย่างหนักเพื่อพัฒนาวิธีการประดิษฐ์ที่เลียนแบบวิธีที่พืชใช้แสงแดดเพื่อเปลี่ยน CO2 และน้ำให้เป็นสิ่งที่เราสามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงได้ ถ้ามันได้ผล มันจะเป็นสถานการณ์ที่ win-win สำหรับเรา: ไม่เพียงแต่เราจะได้รับประโยชน์จากพลังงานหมุนเวียนที่ผลิตในลักษณะนี้เท่านั้น แต่ยังอาจกลายเป็นวิธีสำคัญในการลดระดับ CO2 ในชั้นบรรยากาศอีกด้วย

อย่างไรก็ตาม พืชต้องใช้เวลาหลายพันล้านปีในการพัฒนาการสังเคราะห์ด้วยแสง และการเลียนแบบสิ่งที่เกิดขึ้นในธรรมชาติไม่ใช่เรื่องง่ายเสมอไป ในขณะนี้ ขั้นตอนพื้นฐานในการสังเคราะห์ด้วยแสงเทียมนั้นได้ผล แต่ไม่มีประสิทธิภาพมากนัก ข่าวดีก็คือการวิจัยในสาขานี้กำลังดำเนินไปอย่างรวดเร็ว และมีกลุ่มต่างๆ ทั่วโลกที่กำลังดำเนินการตามขั้นตอนเพื่อควบคุมกระบวนการที่สำคัญนี้

การสังเคราะห์แสงแบบสองขั้นตอน

การสังเคราะห์ด้วยแสงไม่ได้เกี่ยวกับการจับภาพแสงแดดเท่านั้น จิ้งจกอาบแสงแดดอันอบอุ่นสามารถทำได้ การสังเคราะห์ด้วยแสงมีวิวัฒนาการในพืชเพื่อจับภาพและเก็บพลังงานนี้ (บิตภาพถ่าย) และแปลงเป็นคาร์โบไฮเดรต (บิตการสังเคราะห์) พืชใช้ชุดของโปรตีนและเอ็นไซม์ที่ขับเคลื่อนโดยแสงแดดเพื่อปลดปล่อยอิเล็กตรอน ซึ่งจะใช้ในการแปลง CO2 เป็นคาร์โบไฮเดรตเชิงซ้อน โดยพื้นฐานแล้วการสังเคราะห์ด้วยแสงเทียมทำตามขั้นตอนเดียวกัน

ดูกระทู้ที่เกี่ยวข้องในลอนดอนกำลังเปลี่ยนเป็นจุดชาร์จ พลังงานแสงอาทิตย์ในสหราชอาณาจักร: พลังงานแสงอาทิตย์ทำงานอย่างไรและมีข้อดีอย่างไร

ในการสังเคราะห์ด้วยแสงตามธรรมชาติ ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของวัฏจักรคาร์บอนตามธรรมชาติ เรามีแสง CO2 และน้ำที่ไหลเข้าสู่พืช และพืชผลิตน้ำตาล ฟิล เด ลูนา ผู้สมัครระดับปริญญาเอกที่ทำงานในภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์ของมหาวิทยาลัยอธิบาย ของโตรอนโต ในการสังเคราะห์ด้วยแสงเทียม เราใช้อุปกรณ์และวัสดุอนินทรีย์ ส่วนการเก็บเกี่ยวพลังงานแสงอาทิตย์ที่เกิดขึ้นจริงทำได้โดยเซลล์แสงอาทิตย์ และส่วนการแปลงพลังงานทำได้โดยปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า [เมื่อมี] ตัวเร่งปฏิกิริยา

สิ่งที่ดึงดูดใจในกระบวนการนี้คือความสามารถในการผลิตเชื้อเพลิงเพื่อการจัดเก็บพลังงานในระยะยาว นี่เป็นมากกว่าแหล่งพลังงานหมุนเวียนในปัจจุบันที่สามารถทำได้ แม้กระทั่งกับเทคโนโลยีแบตเตอรี่ที่เกิดขึ้นใหม่ หากดวงอาทิตย์ไม่อยู่หรือไม่ใช่วันที่ลมแรง เช่น แผงโซลาร์เซลล์และฟาร์มกังหันลมก็หยุดผลิต สำหรับการจัดเก็บและการเก็บรักษาตามฤดูกาลเป็นเวลานานในเชื้อเพลิงที่ซับซ้อน เราต้องการวิธีแก้ปัญหาที่ดีกว่า De Luna กล่าว แบตเตอรี่นั้นยอดเยี่ยมสำหรับวันต่อวัน สำหรับโทรศัพท์ และแม้กระทั่งสำหรับรถยนต์ แต่เราจะไม่ใช้ [Boeing] 747 ที่มีแบตเตอรี่อย่างแน่นอน

ความท้าทายในการแก้ปัญหา

เมื่อพูดถึงการสร้างเซลล์แสงอาทิตย์ ซึ่งเป็นขั้นตอนแรกในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงประดิษฐ์ เรามีเทคโนโลยีอยู่แล้ว นั่นคือ ระบบพลังงานแสงอาทิตย์ อย่างไรก็ตาม แผงเซลล์แสงอาทิตย์ในปัจจุบัน ซึ่งโดยทั่วไปแล้วเป็นระบบที่ใช้สารกึ่งตัวนำ มีราคาค่อนข้างแพงและไม่มีประสิทธิภาพเมื่อเทียบกับธรรมชาติ จำเป็นต้องมีเทคโนโลยีใหม่ ที่สิ้นเปลืองพลังงานน้อยกว่ามาก

Gary Hastings และทีมงานของเขาจาก มหาวิทยาลัยแห่งรัฐจอร์เจีย แอตแลนตา อาจสะดุดจุดเริ่มต้นเมื่อมองดูกระบวนการดั้งเดิมในพืช ในการสังเคราะห์แสง จุดสำคัญเกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในระยะทางที่กำหนดในเซลล์ พูดง่ายๆ ก็คือ การเคลื่อนไหวนี้เกิดจากแสงแดดที่แปลงเป็นพลังงานในเวลาต่อมา เฮสติ้งส์แสดงให้เห็นว่ากระบวนการนี้มีประสิทธิภาพมากในธรรมชาติ เนื่องจากอิเล็กตรอนเหล่านี้ไม่สามารถกลับไปยังตำแหน่งเดิมได้: หากอิเล็กตรอนกลับไปยังที่ที่มันมาจากไหน พลังงานแสงอาทิตย์ก็จะสูญเสียไป แม้ว่าความเป็นไปได้นี้จะเกิดขึ้นได้ยากในพืช แต่ก็เกิดขึ้นค่อนข้างบ่อยในแผงโซลาร์เซลล์ ซึ่งอธิบายได้ว่าทำไมพวกมันถึงมีประสิทธิภาพน้อยกว่าของจริง

เฮสติ้งส์เชื่อว่างานวิจัยนี้มีแนวโน้มที่จะพัฒนาเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ที่เกี่ยวข้องกับการผลิตสารเคมีหรือเชื้อเพลิง แต่เขาชี้ให้เห็นอย่างรวดเร็วว่านี่เป็นเพียงแนวคิดในขณะนี้ และความก้าวหน้านี้ไม่น่าจะเกิดขึ้นในเร็วๆ นี้ ในแง่ของการประดิษฐ์เทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ที่ประดิษฐ์ขึ้นโดยสมบูรณ์ซึ่งได้รับการออกแบบตามแนวคิดเหล่านี้ ฉันเชื่อว่าเทคโนโลยีจะล้ำหน้าไปอีกในอนาคต ซึ่งไม่น่าจะเกิดขึ้นภายในห้าปีถัดไป แม้กระทั่งสำหรับต้นแบบ

นักวิจัยปัญหาหนึ่งเชื่อว่าเรากำลังใกล้จะแก้ไขแล้ว เกี่ยวข้องกับขั้นตอนที่สองในกระบวนการ นั่นคือ การแปลง CO2 เป็นเชื้อเพลิง เนื่องจากโมเลกุลนี้มีความเสถียรมากและต้องใช้พลังงานจำนวนมหาศาลในการแตกตัว ระบบประดิษฐ์จึงใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อลดพลังงานที่ต้องการและช่วยเร่งปฏิกิริยาให้เร็วขึ้น อย่างไรก็ตาม แนวทางนี้นำชุดปัญหามาเอง มีความพยายามหลายครั้งในช่วงสิบปีที่ผ่านมา โดยตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำจากแมงกานีส ไททาเนียม และโคบอลต์ แต่การใช้งานเป็นเวลานานได้พิสูจน์ให้เห็นแล้วว่าเป็นปัญหา ทฤษฎีนี้อาจดูเหมือนดี แต่พวกมันหยุดทำงานหลังจากผ่านไปสองสามชั่วโมง กลายเป็นไม่เสถียร ช้าลง หรือกระตุ้นปฏิกิริยาเคมีอื่นๆ ที่อาจทำลายเซลล์

แต่ การทำงานร่วมกันระหว่างนักวิจัยชาวแคนาดาและชาวจีนดูเหมือนจะได้รับแจ็คพอต . พวกเขาพบวิธีที่จะรวมนิกเกิล เหล็ก โคบอลต์ และฟอสฟอรัสให้ทำงานในค่า pH ที่เป็นกลาง ซึ่งทำให้ระบบทำงานได้ง่ายขึ้นมาก เนื่องจากตัวเร่งปฏิกิริยาของเราสามารถทำงานได้ดีในอิเล็กโทรไลต์ pH เป็นกลาง ซึ่งจำเป็นสำหรับการลด CO2 เราจึงสามารถเรียกใช้อิเล็กโทรไลซิสของการลด CO2 ในระบบที่ปราศจากเมมเบรน [a] ได้ และด้วยเหตุนี้แรงดันไฟฟ้าจึงลดลงได้ Bo Zhang จากแผนกกล่าว สาขาวิชาวิทยาศาสตร์โมเลกุลขนาดใหญ่ที่มหาวิทยาลัยฟู่ตั้น ประเทศจีน ด้วยการแปลงพลังงานจากไฟฟ้าเป็นเคมีถึง 64% ที่น่าประทับใจ ขณะนี้ทีมมีเจ้าของสถิติที่มีประสิทธิภาพสูงสุดสำหรับระบบสังเคราะห์แสงประดิษฐ์

วิธีรับเหรียญไลน์ฟรี

ปัญหาที่ใหญ่ที่สุดของสิ่งที่เรามีตอนนี้คือขนาด

สำหรับความพยายามของพวกเขา ทีมเข้าถึงรอบรองชนะเลิศใน NRG COSIA Carbon XPRIZE ซึ่งสามารถชนะรางวัล 20 ล้านดอลลาร์สำหรับการวิจัยของพวกเขา เป้าหมายคือการพัฒนาเทคโนโลยีที่ก้าวล้ำที่จะเปลี่ยนการปล่อย CO2 จากโรงไฟฟ้าและโรงงานอุตสาหกรรมให้เป็นผลิตภัณฑ์ที่มีคุณค่า และด้วยระบบการสังเคราะห์ด้วยแสงที่ปรับปรุงให้ดีขึ้น พวกเขามีโอกาสที่ดี

ความท้าทายต่อไปคือการปรับขนาดขึ้น ปัญหาที่ใหญ่ที่สุดของสิ่งที่เรามีตอนนี้คือขนาด เมื่อเราขยายขนาดขึ้น เราก็จะสูญเสียประสิทธิภาพ De Luna ผู้ซึ่งเกี่ยวข้องกับการศึกษาของ Zhang กล่าว โชคดีที่นักวิจัยยังไม่ได้ทำรายการการปรับปรุงของตนจนหมด และตอนนี้กำลังพยายามทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยามีประสิทธิภาพมากขึ้นผ่านองค์ประกอบต่างๆ และการกำหนดค่าต่างๆ

ชนะสองด้าน

ยังคงมีช่องว่างสำหรับการปรับปรุงทั้งในระยะสั้นและระยะยาว แต่หลายคนรู้สึกว่าการสังเคราะห์ด้วยแสงประดิษฐ์มีศักยภาพที่จะกลายเป็นเครื่องมือสำคัญในฐานะเทคโนโลยีที่สะอาดและยั่งยืนสำหรับอนาคต

มันน่าตื่นเต้นอย่างเหลือเชื่อเพราะสนามเคลื่อนที่เร็วมาก ในแง่ของการค้า เราอยู่ในจุดเปลี่ยน De Luna กล่าวเสริมว่าการทำงานจะขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายอย่าง ซึ่งรวมถึงนโยบายสาธารณะและการยอมรับโดยอุตสาหกรรมเพื่อยอมรับเทคโนโลยีพลังงานหมุนเวียน

การทำให้วิทยาศาสตร์ถูกต้องเป็นเพียงขั้นตอนแรกเท่านั้น จากการวิจัยโดย Hastings และ Zhang จะเป็นการเคลื่อนไหวที่สำคัญในการดูดซับการสังเคราะห์ด้วยแสงเทียมในกลยุทธ์ระดับโลกของเราเกี่ยวกับพลังงานหมุนเวียน เดิมพันสูง หากทำได้สำเร็จ เราจะยืนหยัดเพื่อชัยชนะในสองด้าน ไม่เพียงแต่การผลิตเชื้อเพลิงและผลิตภัณฑ์เคมีเท่านั้น แต่ยังช่วยลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในกระบวนการอีกด้วย