Люди могут делать многое, чего не могут делать растения. Мы можем ходить, мы можем говорить, мы можем слышать, видеть и осязать. Но у растений есть одно главное преимущество перед людьми: они могут получать энергию непосредственно от солнца.
Этот процесс превращения солнечного света непосредственно в полезную энергию - называемый фотосинтезом - вскоре может стать подвигом, которому люди смогут имитировать использование солнечной энергии для получения чистого, пригодного для хранения и эффективного топлива. Если так, это может открыть совершенно новые горизонты чистой энергии. За один час на Землю в виде солнечного света попадает достаточно энергии, чтобы удовлетворить все потребности человеческой цивилизации в энергии на целый год.
Энергия ветра и солнечная энергия, использующиеся фотоэлектрическими элементами, являются двумя основными доступными формами чистой энергии. Добавление третьего - синтетического фотосинтеза - резко изменит ландшафт возобновляемых источников энергии. Возможность легко накапливать энергию, не требуя громоздких батарей, резко улучшила бы способность людей обеспечивать чистую и эффективную энергию для общества.
И ветряные турбины, и фотоэлектрические установки имеют недостатки с точки зрения воздействия на окружающую среду и осложняющих факторов.
Исследователи по всему миру невероятно усердно работают, пытаясь найти доступную энергию. Чистая и устойчивая энергия, которую мы можем создать из нетоксичных, легко доступных элементов. Искусственный фотосинтез - это путь вперед.
Фотосинтез - это сложный танец процессов, посредством которых растения преобразуют солнечное излучение и молекулы воды в полезную энергию в виде глюкозы. Для этого они используют пигмент, обычно знаменитый хлорофилл, а также белки, ферменты и металлы.
Самый близкий к искусственному фотосинтезу процесс, которым сегодня обладает человечество, — это фотоэлектрический. technology, где солнечный элемент преобразует солнечную энергию в электричество. Этот процесс известен своей неэффективностью: он способен улавливать только около 20% солнечной энергии. С другой стороны, фотосинтез радикально более эффективен; он способен хранить 60% солнечной энергии в виде химической энергии в связанных биомолекулах.
Эффективность простых фотоэлектрических элементов - солнечных панелей - ограничена способностью полупроводников поглощать световую энергию и способностью элемента производить энергию. Этот предел ученые могут преодолеть с помощью синтетического фотосинтеза.
При искусственном фотосинтезе нет фундаментальных физических ограничений. Вы легко можете представить себе систему, эффективность которой составляет 60%, потому что у нас уже есть прецедент в области естественного фотосинтеза. А если мы станем очень амбициозными, мы можем даже представить себе систему с эффективностью до 80%.
Фотосинтез чрезвычайно эффективен, когда речь идет о расщеплении воды, первом этапе искусственного фотосинтеза. Белки фотосистемы II в растениях делают это тысячу раз в секунду. Моргните, и готово.
Группа исследователей имитирует этот процесс, создав собственный аналог искусственного листа, который собирает свет и расщепляет молекулы воды для образования водорода. Водород может использоваться в качестве топлива сам по себе через топливные элементы или добавляться к другим видам топлива, таким как природный газ, или встраиваться в топливные элементы для питания всего, от автомобилей до домов и небольших электронных устройств, лабораторий и больниц.
Ученые в лаборатории экспериментируют с комбинациями белков естественной фотосистемы II и синтетических катализаторов, пытаясь понять, что работает лучше всего и почему. Они также уделяют приоритетное внимание использованию соединений и химикатов, которых на Земле много, они легко доступны и нетоксичны для планеты.
Однако прогресс в искусственном фотосинтезе затруднен тем фактом, что фотосинтез настолько многогранен, что повсюду оплакивают студенты-биохимики.
Реакция очень сложная. Химия расщепления молекул воды чрезвычайно сложна.
Ученые работают над искусственным фотосинтезом с 1970-х годов. Это долгий срок, но не если вспомнить, что фотосинтез развился за миллионы лет. Более того, ученые считают, что, в отличие от полета, общения или интеллекта, фотосинтез развился только однажды - около 3 миллиардов лет назад, всего около 1.5 миллиарда лет существования Земли.
Команда утверждает, что в течение следующих 10-15 лет будет достигнут достаточный прогресс в этом коммерческом искусственный системы фотосинтеза могут начать работать.