Чи зможе штучний фотосинтез стати альтернативою сонячним панелям?

У 1912 році в Science була опублікована стаття, в якій професор Джакомо Чамичан писав наступне: «Вугілля пропонує сонячну енергію людству в її найбільш концентрованій формі, але вугілля вичерпаємо. Невже викопна сонячна енергія — єдине, що може використовувати сучасне життя і цивілізація?». І пізніше, в цій статті, він додає:

«Скляні будівлі будуть всюди; всередині них будуть протікати фотохімічні процеси, які досі були охоронюваним секретом рослин, але які будуть освоюватися людської промисловістю, вона дізнається, як змусити їх давати ще більш щедрі плоди, ніж природа, оскільки природа нікуди не поспішає, а людство навпаки. Життя і цивілізація будуть продовжуватися до тих пір, поки світить сонце».

Через сто років Чамичан вперше представив штучний фотосинтез як засіб відлучення від викопного палива, з тих пір пошук рішення продовжується і навіть спалахнув з новою силою.

У той час як сонячні панелі обмежені теоретичними межами своєї ефективності, десь є місце для штучного фотосинтезу, давно забутого братика сонячних панелей. Досить імовірно, що люди продовжать спалювати рідке і тверде паливо, яке горить, в той час як сонячні панелі зможуть лише забезпечити нас електрикою.

Зміна клімату дає новий імпульс дослідженням штучного фотосинтезу. Рослини роблять дещо корисне: вловлюють вуглекислий газ. Більшість кліматичних моделей, які дозволяють нам вкластися в ліміт Паризького угоди (2 градуси за Цельсієм), вимагають великої кількості біоенергії з уловлюванням і зберіганням вуглецю. Це технологія негативних викидів, коли рослини захоплюють вуглекислий газ, перетворюються в біопаливо і потім зникають. Вуглець вловлюється і секвестрируется під землею.

Штучний фотосинтез може бути вуглець-негативним джерелом рідкого палива на зразок етанолу. Захисники екології часто звертаються до «водневої економіки» як до вирішення проблеми зниження вуглецевих викидів. Замість того, щоб замінювати всю нашу інфраструктуру — належну на тверде та рідке паливо — ми просто замінюємо паливо. Паливо начебто водню або етанолу можна виробляти за допомогою сонячної енергії, як у штучному фотосинтезі, так що ми продовжимо використовувати рідке паливо з меншою шкодою навколишньому середовищу. Загальна електрифікація може бути більш складним процесом, ніж просто перехід від бензину до етанолу.

Штучний фотосинтез безперечно варто досліджувати. І за останні роки були зроблені великі кроки. Потужні інвестиції від урядових і благодійних фондів вливаються в сонячне паливо. Досліджується кілька різних фотохімічних процесів, деякі з яких вже мають потенціал бути більш ефективними, ніж навіть рослини.

У вересні 2017 року національної лабораторії Лоуренса в Берклі описала новий процес, який може перетворювати CO₂ в етанол, який потім можна використовувати в якості палива, і етилен, який потрібен для виробництва поліетиленового пластику. Це стало першою демонстрацією успішного перетворення діоксиду вуглецю на паливо і прекурсори пластику.

У нещодавно опублікованій роботі в Nature Catalysis обговорювалася техніка, при якій фотоелектричні панелі підключаються до пристрою, электролизующему діоксид вуглецю. Потім анаеробний мікроб перетворює діоксид вуглецю і воду, користуючись електричною енергією, бутанол.

Вони відзначили, що їх здатність перетворювати електроенергію в бажані продукти була ефективна майже на 100%, а система в цілому змогла досягти 8% ефективності перетворення сонячного світла в паливо. Може здатися, що це невелика цифра, але 20% — це чудово для сонячних панелей, безпосередньо перетворюють сонячне світло в електрику; навіть самі продуктивні рослини, такі як цукровий очерет і просо, набирають не більше 6% ефективності. Тобто це можна порівняти з біопаливом, яке в даний час використовуються, начебто кукурудзяного біоетанолу, так як кукурудза менш ефективна в перетворенні сонячного світла в накопичену енергію.

Інші форми штучного фотосинтезу зосереджені на водні як можливий паливі. Дослідники з Гарварду нещодавно представили вражаючу версію «біонічного аркуша», який може перетворювати сонячну енергію в водень. Одним з головних його переваг є те, що його ефективність швидко зростає, якщо дати йому «подихати» чистим вуглекислим газом. Якщо ми збираємося жити в майбутньому, в якому величезні обсяги діоксиду вуглецю витягуються з атмосфери, тепер у нас буде досить непогане для них застосування. Хоча останнім часом люди недолюблюють цю ідею (термодинаміка використання електрики для розщеплення води на водень і кисень не завжди ідеальна), все ще проводяться дослідження на тему паливних комірок для автомобілів і водню для обігріву будинків, особливо в Японії.

Одна з проблем, пов'язаних з будь-якими зусиллями по створенню штучного фотосинтезу, полягає в тому, що чим більше кроків у вас буде в процесі конверсії, тим більше енергії буде втрачено на цьому шляху. Використання електрифікованих приладів з енергією, що виробляється безпосередньо від сонця, буде набагато більш ефективним, ніж будь-яка схема перетворення електрики і діоксиду вуглецю в паливо, яке ви потім будете спалювати для відновлення часткиелектричного введення.

Крім того, з екологічної і практичної точки зору, будівництво мільярдів штучних рослин може виявитися куди менш здійсненним, ніж посів насіння для декількох добре вибраних видів біопалива. З іншого боку, ці рослини часто вимагають гарного грунту, яка швидко погіршується через сільськогосподарського тиску. Біопаливо вже запідозрили у використанні землі, яка могла б нагодувати зростаюче населення. Плюс штучного фотосинтезу в тому, що ви можете побачити, як ці «рослини» процвітають в пустелі або навіть в океані.

Як це часто буває, ми черпаємо натхнення від природи — але зрозуміти її, підпорядкувати і навіть поліпшити представляє для нас проблему.