يمكن للبشر القيام بالكثير من الأشياء التي لا تستطيع النباتات القيام بها. يمكننا أن نتجول ونتحدث ونسمع ونرى ونلمس. لكن النباتات لها ميزة رئيسية واحدة على البشر: يمكنها الحصول على الطاقة مباشرة من الشمس.
إن عملية تحويل ضوء الشمس مباشرة إلى طاقة قابلة للاستخدام - تسمى التركيب الضوئي - قد تكون قريبًا عملاً فذًا يمكن للبشر تقليده لتسخير طاقة الشمس للحصول على وقود نظيف وقابل للتخزين وفعال. إذا كان الأمر كذلك ، فقد يفتح مجالًا جديدًا تمامًا للطاقة النظيفة. ما يكفي من الطاقة يضرب الأرض على شكل ضوء الشمس في ساعة واحدة لتلبية جميع احتياجات الطاقة للحضارة الإنسانية لمدة عام كامل.
طاقة الرياح والطاقة الشمسية ، التي تسخرها الخلايا الكهروضوئية ، هما الشكلان الرئيسيان للطاقة النظيفة المتاحة. إضافة ثالث - التمثيل الضوئي الاصطناعي - من شأنه أن يغير بشكل كبير مشهد الطاقة المتجددة. إن القدرة على تخزين الطاقة بسهولة ، دون الحاجة إلى بطاريات ضخمة ، ستحسن بشكل كبير قدرة البشر على تزويد المجتمع بالطاقة بشكل نظيف وفعال.
لكل من توربينات الرياح والخلايا الكهروضوئية سلبيات من حيث التأثيرات البيئية والعوامل المعقدة.
يعمل الباحثون في جميع أنحاء العالم بجهد لا يُصدق لمحاولة الوصول إلى طاقة يمكن الوصول إليها. الطاقة النظيفة والمستدامة التي يمكننا إنشاؤها باستخدام عناصر غير سامة ومتاحة بسهولة. البناء الضوئي الاصطناعي هو الطريق إلى الأمام.
التمثيل الضوئي هو رقصة معقدة من العمليات حيث تقوم النباتات بتحويل إشعاع الشمس وجزيئات الماء إلى طاقة قابلة للاستخدام على شكل جلوكوز. للقيام بذلك ، يستخدمون صبغة ، عادةً الكلوروفيل الشهير ، وكذلك البروتينات والإنزيمات والمعادن.
إن أقرب عملية لعملية التمثيل الضوئي الاصطناعي التي يقوم بها البشر اليوم هي الخلايا الكهروضوئية التكنلوجيا، حيث تقوم الخلية الشمسية بتحويل طاقة الشمس إلى كهرباء. ومن المعروف أن هذه العملية غير فعالة، فهي قادرة على التقاط حوالي 20٪ فقط من طاقة الشمس. من ناحية أخرى، يعتبر التمثيل الضوئي أكثر كفاءة بشكل جذري. فهو قادر على تخزين 60% من طاقة الشمس كطاقة كيميائية في الجزيئات الحيوية المرتبطة بها.
إن كفاءة الخلايا الكهروضوئية البسيطة - الألواح الشمسية - محدودة بقدرة أشباه الموصلات على امتصاص الطاقة الضوئية وبقدرة الخلية على إنتاج الطاقة. هذا الحد شيء يمكن للعلماء تجاوزه من خلال عملية التمثيل الضوئي الاصطناعية.
مع التمثيل الضوئي الاصطناعي ، لا توجد قيود فيزيائية أساسية. يمكنك بسهولة تخيل نظام فعال بنسبة 60٪ لأن لدينا بالفعل سابقة في التمثيل الضوئي الطبيعي. وإذا أصبحنا طموحين للغاية ، فيمكننا حتى أن نتخيل نظامًا بكفاءة تصل إلى 80٪.
تعتبر عملية التمثيل الضوئي فعالة بشكل كبير عندما يتعلق الأمر بتقسيم المياه ، وهي الخطوة الأولى في عملية التمثيل الضوئي الاصطناعي. تقوم بروتينات النظم الضوئية II في النباتات بعمل ذلك ألف مرة في الثانية. طرفة ، وانتهى الأمر.
تحاكي مجموعة الباحثين العملية من خلال بناء نظير أوراق اصطناعية خاص بهم يجمع الضوء ويقسم جزيئات الماء لتوليد الهيدروجين. يمكن استخدام الهيدروجين كوقود في حد ذاته عبر خلايا الوقود أو إضافته إلى أنواع الوقود الأخرى مثل الغاز الطبيعي ، أو مدمج في خلايا الوقود لتشغيل كل شيء من المركبات إلى المنازل إلى الأجهزة الإلكترونية الصغيرة والمختبرات والمستشفيات.
قام العلماء بإجراء تجارب معملية على بروتينات النظام الضوئي الطبيعي XNUMX ومجموعات المحفزات التركيبية في محاولة لفهم ما هو الأفضل - ولماذا. كما أنهم يضعون أولوية لاستخدام المركبات والمواد الكيميائية المتوفرة بكثرة على الأرض ، والتي يسهل الوصول إليها وغير سامة للكوكب.
إن التقدم في عملية التمثيل الضوئي الاصطناعي معقد ، على الرغم من حقيقة أن التمثيل الضوئي متعدد الأوجه ، وهي حقيقة يرفضها طلاب الكيمياء الحيوية في كل مكان.
رد الفعل معقد للغاية. إن كيمياء تقسيم جزيئات الماء معقدة للغاية وصعبة.
يعمل العلماء على التمثيل الضوئي الاصطناعي منذ السبعينيات. هذا وقت طويل ، لكن ليس عندما تتذكر أن عملية البناء الضوئي استغرقت ملايين السنين لتتطور. ليس ذلك فحسب ، بل يعتقد العلماء أنه على عكس الطيران أو الاتصال أو الذكاء ، فإن عملية التمثيل الضوئي قد تطورت مرة واحدة فقط - منذ حوالي 1970 مليارات سنة ، أي حوالي 3 مليار سنة فقط من وجود الأرض.
يفترض الفريق أنه خلال السنوات العشر إلى الخمس عشرة القادمة ، سيكون قد تم إحراز تقدم كافٍ في هذا الإعلان التجاري مصطنع قد تبدأ أنظمة التمثيل الضوئي في الظهور على الإنترنت.