פוטוסינתזה מלאכותית: טכנולוגיית שני באחד שיכולה להציל את כדור הארץ

פוטוסינתזה: מנגנון בסיסי לחיים על הפלנטה הזו, מכת סטודנטים לביולוגיה של GCSE, ועכשיו דרך פוטנציאלית להילחם בשינויי האקלים. מדענים עובדים קשה כדי לפתח שיטה מלאכותית המחקה איך צמחים משתמשים באור השמש כדי להפוך CO2 ומים למשהו שאנחנו יכולים להשתמש בו כדלק. אם זה יעבוד, זה יהיה תרחיש של win-win עבורנו: לא רק שנרוויח מאנרגיה מתחדשת המופקת בצורה זו, אלא שזה גם יכול להפוך לדרך חשובה להפחתת רמות CO2 באטמוספרה.

עם זאת, לצמחים לקח מיליארדי שנים לפתח פוטוסינתזה, וזו לא תמיד משימה קלה לשחזר את מה שקורה בטבע. נכון לעכשיו, השלבים הבסיסיים בפוטוסינתזה מלאכותית עובדים, אבל לא ביעילות רבה. החדשות הטובות הן שהמחקר בתחום הזה תופס תאוצה ויש קבוצות ברחבי העולם שעושות צעדים לקראת רתימת התהליך האינטגרלי הזה.

פוטוסינתזה דו-שלבית

פוטוסינתזה היא לא רק לכידת אור השמש. לטאה המתרחצת בשמש החמה יכולה לעשות זאת. פוטוסינתזה התפתחה בצמחים כדרך ללכוד ולאחסן את האנרגיה הזו (סיבית ה"צילום") ולהמירה לפחמימות (סיבית ה"סינתזה"). צמחים משתמשים בסדרה של חלבונים ואנזימים המופעלים על ידי אור השמש כדי לשחרר אלקטרונים, שבתורם משמשים להמרת CO2 לפחמימות מורכבות. בעיקרון, פוטוסינתזה מלאכותית עוקבת אחר אותם שלבים.

ראה עמודי מנורה קשורים בלונדון הופכים לנקודות טעינה אנרגיה סולארית בבריטניה: כיצד פועלת אנרגיה סולארית ומה היתרונות שלה?

"בפוטוסינתזה טבעית, שהיא חלק ממחזור הפחמן הטבעי, יש לנו אור, CO2 ומים נכנסים לצמח והצמח מייצר סוכר", מסביר פיל דה לונה, מועמד לדוקטורט העובד במחלקה להנדסת חשמל ומחשבים ב- אוניברסיטת טורונטו. "בפוטוסינתזה מלאכותית, אנו משתמשים במכשירים וחומרים אנאורגניים. החלק בפועל של קציר השמש נעשה על ידי תאים סולאריים וחלק המרת האנרגיה נעשה על ידי [תגובות אלקטרוכימיות בנוכחות] זרזים".

מה שבאמת מושך בתהליך הזה הוא היכולת לייצר דלק לאחסון אנרגיה לטווח ארוך. זה הרבה יותר ממה שמקורות אנרגיה מתחדשים יכולים לעשות, אפילו עם טכנולוגיית סוללות מתפתחת. אם השמש לא זורחת או אם זה לא יום סוער, למשל, פאנלים סולאריים וחוות רוח פשוט מפסיקים לייצר. "לאחסון עונתי ממושך ואחסון בדלקים מורכבים, אנחנו צריכים פתרון טוב יותר", אומר דה לונה. "סוללות נהדרות ליום יום, לטלפונים ואפילו למכוניות, אבל לעולם לא נפעיל מטוס [בואינג] 747 עם סוללה".

אתגרים לפתרון

כשזה מגיע ליצירת תאים סולאריים - השלב הראשון בתהליך הפוטוסינתזה המלאכותית - יש לנו כבר את הטכנולוגיה: מערכות אנרגיה סולארית. עם זאת, לוחות פוטו-וולטאיים נוכחיים, שהם בדרך כלל מערכות מבוססות מוליכים למחצה, הם יקרים יחסית ולא יעילים בהשוואה לטבע. דרושה טכנולוגיה חדשה; כזה שמבזבז הרבה פחות אנרגיה.

ייתכן שגרי הייסטינגס והצוות שלו מאוניברסיטת ג'ורג'יה סטייט, אטלנטה, נתקלו בנקודת התחלה כאשר הסתכלו על התהליך המקורי בצמחים. בפוטוסינתזה, הנקודה המכרעת כוללת העברת אלקטרונים למרחק מסוים בתא. במילים פשוטות מאוד, זו התנועה הנגרמת מאור השמש המומרת מאוחר יותר לאנרגיה. הייסטינגס הראה שהתהליך יעיל מאוד מטבעו מכיוון שהאלקטרונים הללו אינם יכולים לחזור למיקומם המקורי: "אם האלקטרון חוזר למקום ממנו הגיע, אז אנרגיית השמש אובדת". למרות שהאפשרות הזו נדירה בצמחים, היא מתרחשת לעתים קרובות למדי בפאנלים סולאריים, מה שמסביר מדוע הם פחות יעילים מהדבר האמיתי.

הייסטינגס מאמין ש"מחקר זה עשוי לקדם טכנולוגיות של תאים סולאריים הקשורים לייצור כימיקלים או דלק", אבל הוא ממהר לציין שזהו רק רעיון כרגע, והתקדמות זו לא צפויה להתרחש בזמן הקרוב. "במונחים של ייצור של טכנולוגיית תאים סולאריים מלאכותיים לחלוטין שתוכננה על סמך הרעיונות האלה, אני מאמין שהטכנולוגיה נמצאת רחוק יותר בעתיד, כנראה שלא בחמש השנים הקרובות אפילו לאבטיפוס."

בעיה אחת החוקרים מאמינים שאנו קרובים לפתרון כוללת את השלב השני בתהליך: המרת CO2 לדלק. מכיוון שמולקולה זו יציבה מאוד ודרושה כמות מדהימה של אנרגיה כדי לשבור אותה, המערכת המלאכותית משתמשת בזרזים כדי להוריד את האנרגיה הנדרשת ולעזור להאיץ את התגובה. עם זאת, גישה זו מביאה למערכת בעיות משלה. היו ניסיונות רבים בעשר השנים האחרונות, עם זרזים עשויים מנגן, טיטניום וקובלט, אך שימוש ממושך הוכיח את עצמו כבעיה. התיאוריה אולי נראית טובה, אבל הן מפסיקות לעבוד לאחר מספר שעות, הופכות לבלתי יציבות, מאטות או מעוררות תגובות כימיות אחרות שעלולות לפגוע בתא.

אבל נראה ששיתוף פעולה בין חוקרים קנדיים וסינים זכה לקופה. הם מצאו דרך לשלב ניקל, ברזל, קובלט וזרחן לעבודה ב-pH ניטרלי, מה שמקל בצורה ניכרת על הפעלת המערכת. "מכיוון שהזרז שלנו יכול לעבוד היטב באלקטרוליט pH ניטרלי, שהוא הכרחי להפחתת CO2, אנו יכולים להפעיל את האלקטרוליזה של הפחתת CO2 במערכת נטולת ממברנה, ומכאן שניתן להפחית את המתח", אומר Bo Zhang, מ- המחלקה למדע מקרומולקולרי באוניברסיטת פודן, סין. עם המרת הספק מרשימה של 64% חשמל לכימיקלים, הצוות הוא כעת בעלי שיא עם היעילות הגבוהה ביותר עבור מערכות פוטוסינתזה מלאכותית.

"הבעיה הגדולה ביותר עם מה שיש לנו כרגע היא קנה המידה"

על מאמציהם, הקבוצה הגיעה לחצי הגמר ב-NRG COSIA Carbon XPRIZE, מה שעשוי לזכות אותם ב-20 מיליון דולר עבור המחקר שלהם. המטרה היא "לפתח טכנולוגיות פורצות דרך שימירו פליטות CO2 מתחנות כוח ומתקנים תעשייתיים למוצרים בעלי ערך" ועם מערכות הפוטוסינתזה המלאכותית המשופרות שלהם, יש להם סיכוי טוב.

האתגר הבא הוא התרחבות. "הבעיה הגדולה ביותר עם מה שיש לנו כרגע היא קנה המידה. כשאנחנו מגדילים, אנחנו מאבדים יעילות", אומר דה לונה, שהיה מעורב גם במחקר של ג'אנג. למרבה המזל, החוקרים לא מיצו את רשימת השיפורים שלהם, וכעת הם מנסים להפוך זרזים ליעילים יותר באמצעות הרכבים שונים ותצורות שונות.

מנצח בשני חזיתות

בהחלט יש עדיין מקום לשיפור הן בטווח הקצר והן בטווח הארוך, אבל רבים מרגישים שלפוטוסינתזה מלאכותית יש פוטנציאל להפוך לכלי חשוב כטכנולוגיה נקייה ובת קיימא לעתיד.

"זה מרגש להפליא כי השדה זז כל כך מהר. במונחים של מסחור, אנחנו בנקודת המפנה", אומר דה לונה, ומוסיף כי אם זה יעבוד "יתלוי בהרבה גורמים, הכוללים מדיניות ציבורית ואימוץ על ידי התעשייה לקבל טכנולוגיית אנרגיה מתחדשת. ."

אם כן, ביצוע המדע הנכון הוא למעשה רק הצעד הראשון. בעקבות מחקר של אנשים כמו הייסטינגס וג'אנג יגיע המהלך המכריע לקלוט פוטוסינתזה מלאכותית לתוך האסטרטגיה הגלובלית שלנו סביב אנרגיה מתחדשת. ההימור גבוה. אם זה יצליח, אנחנו עומדים לנצח בשתי חזיתות - לא רק בייצור דלקים ומוצרים כימיים, אלא גם צמצום טביעת הרגל הפחמנית שלנו בתהליך.