Искусственный фотосинтез: когда ученые придумают альтернативное топливо
Прежде чем мы погрузимся в мир искусственного фотосинтеза, важно упомянуть, что есть с ним определенные ассоциации — а именно, зеленый цвет, цвет хлорофилла. В медиа он закрепился как цвет экологии, особенно после 2017-го года, но не все методы под эгидой зеленого цвета так уж безвредны для окружающей среды. Яркий пример: ячейки солнечных батарей и лопасти ветряков необходимо утилизировать уже через пару десятков лет эксплуатации. По-настоящему экологичное энергетическое обеспечение могли бы дать зеленые растения, которые и являются первичными накопителями солнечной энергии.
Как работает фотосинтез
Как бы ни развивались мировые технологии, мы до сих пор не умеем в промышленных масштабах воспроизводить фотосинтез в искусственных условиях. Этот процесс является одним из основных в жизнедеятельности зеленых растений. Работает он так: углекислый газ и вода расщепляются в листьях, вернее, в хлоропластах – клеточных органеллах, содержащих зеленый пигмент хлорофилл. Строение хлорофилла близко к гему – небелковой части гемоглобина.
Хлорофилл решает две важных задачи, особенно для современной экологии:
- расщепляет углекислый газ, помогая таким образом тормозить глобальное потепление;
- позволяет получать водород, являющийся базовым элементом для наиболее экологически чистых видов топлива.
До того, как мы обсудим искусственный фотосинтез, поговорим о природном, о том, как он работает. Так называемые высшие растения, бактерии и водоросли перерабатывают солнечную энергию в углеводы и углеводороды. Но растения не смогут помочь крупномасштабному производству топлива на основе солнечной энергии, так как задействуют сложную цепочку биохимических реакций, позволяющих преобразовать CO2 в конечный продукт. КПД растений для массовой промышленности слишком низок, чтобы они могли играть роль серьезного энергетического ресурса. Эффективность растений как ресурса обычно зависит не только от освещенности, но и от других экологических факторов, в том числе, от доступности CO2, воды и питательных веществ.
Существует четыре этапа фотосинтеза:
- Сбор света. На этом этапе фотосинтеза происходит поглощение и накопление электромагнитного излучения антенными молекулами (прежде всего хлорофиллом, но также и каротином). Эти молекулы сосредоточены в белковых комплексах или органелл и служат для концентрации захваченной энергии в «реакционных центрах».
- Разделение зарядов. В реакционном центре происходит разделение зарядов: молекула хлорофилла испускает отрицательно заряженную частицу — электрон— на месте электрона остается положительно заряженная «дырка». Таким образом, энергия солнечного света применяется для разграничения положительных и отрицательных зарядов.
- Расщепление воды. На третьем этапе фотосинтеза собирается множество положительных зарядов, которые идут на расщепление молекул воды: получаются ионы водорода и кислород. Расщепление воды происходит в отдельном отсеке клетки, а не там, где проходит этап разделения зарядов; на достаточном удалении, чтобы предотвратить потерю заряда при поступлении нового фотона, но достаточно близко, чтобы положительный заряд эффективно накапливался и затем использовался для катализа.
- Синтез топлива. Электроны, полученные при разделении зарядов, подхватываются цитохромом b6f и маленькими мобильными переносчиками и транспортируются в еще один белковый комплекс, фотосистему I. В фотосистему I поступает дополнительная энергия, которую также приносят солнечные фотоны, и с ними также идет химическая реакция, в результате которой получаются углеводороды.
Искусственный фотосинтез в лабораторных условиях
Процесс искусственного фотосинтеза in vitro, без участия листьев, был впервые осуществлен в 1972 году в Токийском университете. Тогда Кеничи Хонда и его аспирант Акира Фудзисима рассказали о том, что смогли смоделировать фотосинтез, подавая свет на электрод из диоксида титана, погруженный в воду. Фотосинтез в лабораторных условиях был получен так: электроны под действием света покидали металл, оставляя на своем месте положительно заряженные дырки, куда затем захватывались электроны из окружающей воды. Хонда и Фудзисима показали, что таким образом получение кислорода катализировалось на фотоаноде, а свободный водород скапливался на платиновом катоде. Так впервые в истории удалось разложить воду на составляющие при помощи светочувствительного элемента.
Вторая попытка воспроизвести искусственный фотосинтез состоялась в 1998 году Джон Тёрнер и Оскар Хаселев из Национальной лаборатории возобновляемой энергетики из штата Колорадо разработали первый «искусственный лист»: интегрированное фотоэлектрическое устройство, позволяющее расщеплять воду, получая на вход в качестве энергии свет и ничего более. В результате КПД растенийпри производстве водорода достиг целых 12,4%, но материалы для поддержки реакции оказались чересчур дорогими: в состав устройства входил полупроводник на основе галлий-индиевого фосфида, а также платина в качестве катализатора.
Далее предпринимались усилия по удешевлению производства искусственного фотосинтеза, а именно фотоэлектрического элемента, и в 2011 году группа Дэвида Носеры из Массачусетского технологического института представила беспроводное устройство для расщепления воды, в котором электроды создавались с применением сравнительно дешевых индия и олова, а вода была буферизована ионами кобальта.
Искусственный фотосинтез и его перспективы в солнечной энергетике
Из того, что мы озвучили, напрашиваются следующие выводы. Сейчас фотоэлектрические элементы, действующие в водяной среде, работоспособны, но явно несовершенны для производства искусственного фотосинтеза в промышленных масштабах. Производство ячеек, которые могли бы послужить конкурентоспособным источником возобновляемой энергии – в лучшем случае дело будущего. Но искусственный фотосинтез все-таки вполне эффективен в качестве позиции для связывания атмосферного углерода, и при этом дает стабильный поток заряженных частиц.
Таким образом, элементы, поулчаемые с помощью искусственного фотосинтеза, можно было бы сочетать с солнечными батареями — например, уже сегодня устанавливаемыми на крышах частных домов в США. Солнечная батарея могла бы транслировать часть получаемой энергии на электролиз. В таком случае подключенные к ней фотоэлектрические элементы участвовали бы в связывании углекислого газа и расщеплении воды с получением водорода, который является экологически чистым топливом.
Развитие катализаторов для таких процессов позволило бы не ограничиваться воспроизведением обычного фотосинтеза, а синтезировать, например, белки или ферменты. Мы уже научились масштабировать солнечные батареи, поэтому могли бы вместе с ними масштабировать и элементы, получаемые с помощью искусственного фотосинтеза. Наконец, подобные технологии могли бы поспособствовать разложению токсичных отходов или пластика, давая на выходе водород и энергию.
Представленные возможности являются гипотезой, но вполне имеют место быть, так как основаны на модели, отточенной в зеленых растениях более чем за миллиард лет. Возможно, именно искусственный фотосинтез в промышленных масштабах откроет двери к новым технологиям.