Fotosyntes: grundläggande mekanism för liv på denna planet, gissel för GCSE biologistudenter och nu ett potentiellt sätt att bekämpa klimatförändringar. Forskare arbetar hårt för att utveckla en konstgjord metod som efterliknar hur växter använder solljus för att omvandla CO2 och vatten till något vi kan använda som bränsle. Om det fungerar kommer det att vara ett win-win-scenario för oss: inte bara kommer vi att dra nytta av förnybar energi som produceras på detta sätt, utan det kan också bli ett viktigt sätt att minska CO2-nivåerna i atmosfären.
Men det tog växter miljarder år att utveckla fotosyntes, och det är inte alltid en lätt uppgift att replikera vad som händer i naturen. För tillfället fungerar de grundläggande stegen i artificiell fotosyntes, men inte särskilt effektivt. Den goda nyheten är att forskningen inom detta område tar fart och det finns grupper runt om i världen som tar steg för att utnyttja denna integrerade process.
Tvåstegs fotosyntes
Fotosyntes handlar inte bara om att fånga solljus. En ödla som badar i den varma solen kan göra det. Fotosyntesen utvecklades i växter som ett sätt att fånga och lagra denna energi (”fotobiten”) och omvandla den till kolhydrater (”syntesbiten). Växter använder en serie proteiner och enzymer som drivs av solljus för att frigöra elektroner, som i sin tur används för att omvandla CO2 till komplexa kolhydrater. I grund och botten följer artificiell fotosyntes samma steg.
"I naturlig fotosyntes, som är en del av det naturliga kolets kretslopp, har vi ljus, CO2 och vatten som går in i växten och växten gör socker", förklarar Phil De Luna, doktorand som arbetar vid institutionen för elektro- och datateknik på University of Toronto. ”I artificiell fotosyntes använder vi oorganiska anordningar och material. Själva solskördsdelen görs av solceller och energiomvandlingsdelen görs av elektrokemiska [reaktioner i närvaro av] katalysatorer."
Det som verkligen tilltalar med denna process är förmågan att producera bränsle för långsiktig energilagring. Detta är så mycket mer än vad nuvarande förnybara energikällor kan göra, även med ny batteriteknik. Om solen inte är ute eller om det inte är en blåsig dag, till exempel, slutar helt enkelt solpaneler och vindkraftsparker att producera. "För långvarig säsongslagring och lagring i komplexa bränslen behöver vi en bättre lösning", säger De Luna. "Batterier är bra för dagliga bruk, för telefoner och till och med för bilar, men vi kommer aldrig att köra en [Boeing] 747 med ett batteri."
Utmaningar att lösa
När det gäller att skapa solceller – det första steget i processen för artificiell fotosyntes – har vi redan tekniken på plats: solenergisystem. Men nuvarande solcellspaneler, som vanligtvis är halvledarbaserade system, är relativt dyra och ineffektiva jämfört med naturen. Det behövs en ny teknik; en som slösar mycket mindre energi.
Gary Hastings och hans team från Georgia State University, Atlanta, kan ha snubblat på en utgångspunkt när de tittade på den ursprungliga processen i växter. I fotosyntesen är den avgörande punkten att flytta elektroner över ett visst avstånd i cellen. I mycket enkla termer är det denna rörelse orsakad av solljus som senare omvandlas till energi. Hastings visade att processen är mycket effektiv till sin natur eftersom dessa elektroner inte kan gå tillbaka till sin ursprungliga position: "Om elektronen går tillbaka till där den kom ifrån går solenergin förlorad." Även om denna möjlighet är sällsynt i växter, händer det ganska ofta i solpaneler, vilket förklarar varför de är mindre effektiva än den äkta varan.
Hastings tror att denna "forskning sannolikt kommer att främja solcellsteknologier relaterade till kemisk eller bränsleproduktion", men han är snabb med att påpeka att detta bara är en idé för tillfället och att detta framsteg är osannolikt att ske någon gång snart. "När det gäller tillverkningen av en helt artificiell solcellsteknik som är designad utifrån dessa idéer, tror jag att tekniken ligger längre bort i framtiden, troligen inte inom de närmaste fem åren ens för en prototyp."
Ett problem som forskare tror att vi är nära att lösa handlar om det andra steget i processen: att omvandla CO2 till bränsle. Eftersom denna molekyl är mycket stabil och det krävs otroligt mycket energi för att bryta den, använder det konstgjorda systemet katalysatorer för att sänka den energi som krävs och hjälpa till att påskynda reaktionen. Men detta tillvägagångssätt medför sina egna problem. Det har gjorts många försök under de senaste tio åren, med katalysatorer gjorda av mangan, titan och kobolt, men långvarig användning har visat sig vara ett problem. Teorin kan tyckas bra, men antingen slutar de att fungera efter några timmar, blir instabila, långsammare eller utlöser andra kemiska reaktioner som kan skada cellen.
Men ett samarbete mellan kanadensiska och kinesiska forskare verkar ha slagit igenom. De hittade ett sätt att kombinera nickel, järn, kobolt och fosfor för att arbeta i ett neutralt pH, vilket gör det avsevärt lättare att köra systemet. "Eftersom vår katalysator kan fungera bra i neutral pH-elektrolyt, vilket är nödvändigt för CO2-reduktion, kan vi köra elektrolysen av CO2-reduktion i [ett] membranfritt system, och därmed kan spänningen sänkas", säger Bo Zhang, från institutionen för makromolekylär vetenskap vid Fudan University, Kina. Med en imponerande 64% el-till-kemisk kraftomvandling är teamet nu rekordhållare med den högsta effektiviteten för artificiella fotosyntessystem.
"Det största problemet med det vi har just nu är skalan"
För sina ansträngningar nådde laget semifinal i NRG COSIA Carbon XPRIZE, vilket kan ge dem 20 miljoner dollar för sin forskning. Syftet är att "utveckla banbrytande teknologier som kommer att omvandla CO2-utsläpp från kraftverk och industrianläggningar till värdefulla produkter" och med sina förbättrade artificiella fotosyntessystem har de en god chans.
Nästa utmaning är att skala upp. "Det största problemet med det vi har just nu är skalan. När vi skalar upp förlorar vi effektiviteten, säger De Luna, som också var involverad i Zhangs studie. Lyckligtvis har forskare inte uttömt sin lista över förbättringar och försöker nu göra katalysatorer mer effektiva genom olika sammansättningar och olika konfigurationer.
Vinner på två fronter
Det finns säkert fortfarande utrymme för förbättringar på både kort och lång sikt, men många anser att artificiell fotosyntes har potentialen att bli ett viktigt verktyg som en ren och hållbar teknik för framtiden.
"Det är otroligt spännande eftersom fältet rör sig så snabbt. När det gäller kommersialisering är vi vid vändpunkten”, säger De Luna och tillägger att huruvida det fungerar ”kommer att bero på många faktorer, som inkluderar offentlig politik och industrins antagande att acceptera teknik för förnybar energi. .”
Att få vetenskapen rätt är egentligen bara det första steget. I kölvattnet av forskning av sådana som Hastings och Zhang kommer det avgörande steget att absorbera artificiell fotosyntes i vår globala strategi kring förnybar energi. Insatserna är höga. Om det går igenom kommer vi att vinna på två fronter – inte bara genom att producera bränslen och kemiska produkter, utan också att minska vårt koldioxidavtryck i processen.