Forsyner verdens energibehov med lys og vand

Mens forskere og teknologer rundt om i verden kæmper for at finde renere energikilder, vender nogle kemikere sig til naturens egen elegante løsning: fotosyntese. I fotosyntesen bruger grønne planter energien i sollys til at nedbryde vand og kuldioxid. Ved at manipulere elektroner og brint, oxygen og kulstofatomer i en række komplekse kemiske reaktioner producerer processen i sidste ende cellulosen og lignin, der danner plantens struktur, samt lagret energi i form af sukker. At forstå, hvordan denne proces fungerer, tænker Daniel Nocera , professor i kemi ved MIT, kunne føre til måder at producere og opbevare solenergi i former, der er praktiske til at drive biler og levere elektricitet, selv når solen ikke skinner.

Frigør energi: Daniel Nocera, professor i kemi ved MIT, siger, at grundforskning i fotosyntesens kemiske processer kan føre til et samfund drevet af vand og sollys.

Det, der er brug for, er gennembrud i vores forståelse af de grundlæggende kemiske processer, der gør fotosyntese mulig, ifølge Nocera, en anerkendt fotosynteseekspert. Han studerer principperne bag fotosyntese og anvender det, han lærer, til at lave katalysatorer, der bruger solenergi til at skabe brintgas til brændselsceller. Noceras mål: en verden drevet af lys og vand.

Teknologigennemgang : Hvad er den største udfordring i forhold til energi lige nu?

Daniel Nocera : Den egentlige udfordring med energi er skaleringsproblemet. Vi kommer til at have dette enorme energibehov, og når du begynder at se på alle tallene, er der kun én forsyning, der har skala, og det er solen. Men det er stadig et forskningsproblem. Teknologier følger alle linjer; så er der en opdagelse og en ny linje, der er bedre. Vi er på en meget forudsigelig linje nu i solenergi. De fleste ting, du hører om, er trinvise fremskridt.

BØRN : Du studerer fotosyntese for at få ideer til, hvordan man omdanner sollys til et kemisk brændstof-brint-til brug, når solen ikke skinner, eller til at drive brændselscellekøretøjer.

DN : Du kan bruge strømmen direkte når solen er fremme, på steder der har sol. [Men] du har brug for opbevaring. Der er absolut ingen vej udenom. Jeg destillerer essensen af ​​fotosyntese ned for at kunne bruge det.

BØRN : Hvorfor er fotosyntese attraktiv til at finde en kilde til ren energi?

DN : [Fotosyntese] gør tre ting. Den fanger sollys, og [for det andet] konverterer den det til en trådløs strøm – bladene summer af elektricitet. Og for det tredje laver den opbevaring. Det lagrer den omdannede lysenergi i kemisk energi. Og den bruger den kemiske energi til sin livsproces, og så gemmer den lidt.

Det viser sig [at] fotosyntese er en af ​​de mest effektive maskiner i verden til energiomdannelse. Men det er ikke fantastisk til at lagre energi, fordi det ikke er det [et anlæg] blev bygget til at gøre. Den blev bygget til at leve og vokse og formere sig.

Og det er altså den tilgang, vi tager. Kan vi nu gøre det, som bladet laver kunstigt, som er indfangning, omdannelse og opbevaring i kemiske bindinger? Men min enhed behøver ikke at leve: den kan tage meget mere af den energi og sætte den i kemiske bindinger.

BØRN : Og du har haft en vis succes med at bruge det, du har lært.

DN : Vi lavede en forbindelse, der laver brint ved hjælp af lys. Vi har noget, som du kan opløse i opløsning, skinne lys på det, og brint kommer boblende op. Det gjorde det ikke så effektivt. Men det var et stort fremskridt, fordi det havde en masse nye koncepter derinde for at vise, hvordan man kan bruge sollys til at lave brint.

BØRN : Hvad er nogle af de forskningsproblemer, du adresserer, som du håber kan føre til et stort skridt fremad inden for solenergi?

DN : Noget, vi virkelig har arbejdet hårdt på, er [forståelse] de designprincipper, som fotosyntesen fungerer ud fra.

Den ene er, at når [fotosyntese] spalter vand til brint og ilt, bruger den mere end én elektron. Denne strøm, der kører, går en elektron ad gangen. Men så gemmer [planten] dem og bruger fire elektroner på én gang. Vi ved ikke, hvordan man laver multielektronreaktioner særlig godt. Vi har ikke engang teorier til at beskrive dem.

Og så skal du styre protoner - og det er det, biologi gør rigtig godt. Den tager elektrisk strøm, og så omdanner den den til en kemisk strøm, og den ting, der leder den kemiske strøm, er protoner. Og så sender den atomer. Hvad en solcelle gør, er at sende elektroner til et punkt. Fotosyntese sender faktisk ikke en elektron, men et atom. Og det er endnu sværere at gøre, fordi atomer er så meget tungere end elektroner. Så vi er kommet dybt ned i forståelsen, hvordan flytter man atomer [såsom brintatomer] rundt fra punkt A til B, så de kan slutte sig til hinanden? Hvordan samler man dem, så de kan forene sig?

BØRN : Du har skrevet, at kemi sandsynligvis vil spille den mest centrale rolle af alle videnskaber i forhold til at løse energiproblemer. Hvordan vil du opsummere kemiens rolle?

DN : For game changers er det virkelig nemt. Der er tre.

Gør solcelleanlæg billigt, hvilket er meget kemi. Det opfinder nye materialer for at gøre PV billig.

Erstat ædle metaller - ting som platin - med rigelige metaller. For der er ikke nok ting. Når du taler om så meget skala, må du hellere bruge ting som jern og mangan. Du må hellere se på din bog, der siger, hvad der er de mest rigelige elementer på jordens overflade.

BØRN : Og dette er til brændselsceller, og også til solceller.

DN : Solcelle – alt. Det er det virkelige teknologiproblem, som du skal huske på. Ikke noget, der er så fantastisk, det er 100 procent effektivt - og åh, forresten, jeg bruger ruthenium. Jeg kan bruge ruthenium nu til at lære mig et princip, men ruthenium er under jern [i det periodiske system]. Så jeg må hellere finde ud af, hvordan kan jeg tage alt, hvad jeg lærer, med ruthenium og anvende det på jern?

BØRN : Og den tredje game changer?

DN : Split vand med lys. Du gør de tre ting, og du har en helt ny energiøkonomi. Det er svært for mig at sige præcis, hvordan den teknologi vil se ud, for videnskaben mangler. Men i begyndelsen af ​​1900-tallet byggede vi et helt samfund baseret på et nyt energisystem. Og jeg tror, ​​at når solenergi er på plads, med hjælp fra biobrændsel, med lidt hjælp fra vind, vil vi opfinde vores samfund igen fra en ny energikilde.

skjule