211service.com
Lenktynės dėl dirbtinio lapo išradimo
Šioje ištraukoje iš jo naujos knygos Saulės prisijaukinimas Varunas Sivaramas seka dviejų konkuruojančių mokslininkų tyrinėjimų keliais, pasiryžęs rasti būdą, kaip iš oro išsukti kurą. 2018 m. vasario 21 d
Santtu Mustonenas
Nuo 1970-ųjų pradžios mokslininkai siekė sukurti technologiją, kuri galėtų sukurti skystąjį kurą iš anglies dioksido, vandens ir saulės spindulių daug efektyviau nei fotosintezė – procesas, kurio metu augalai panaudoja saulės šviesą angliavandeniams gaminti ir energijai kaupti. Jie tai vadina dirbtiniu lapu.
Komerciniu požiūriu perspektyvus dirbtinis lapas išspręstų keletą sudėtingiausių švarios energijos iššūkių. Taip būtų sukurtas būdas tiesiogiai ir įperkamai saugoti saulės energiją gaminant anglies dioksido atžvilgiu neutralų kurą, kuris galėtų pakeisti transporto sektorių ir netgi pasiūlyti būdą, kaip tolimojo susisiekimo oru keliones paversti aplinką tausojančia.
Ši istorija buvo mūsų 2018 m. kovo mėnesio numerio dalis
- Žr. likusią numerio dalį
- Prenumeruoti
Mokslininkai padarė lėtą, bet didelę pažangą dviejuose esminiuose proceso etapuose: sukūrė katalizatorius, kurie naudoja saulės energiją vandeniui padalyti į deguonį ir vandenilį, ir sukūrė kitus, galinčius vandenilį ir anglies dioksidą paversti energijos tankiu kuru. Likęs triukas yra suderinti šias užduotis prieinamu ir keičiamo dydžio būdu, naudojant pigias ir gausias medžiagas.
Šioje ištraukoje iš savo naujos knygos Varunas Sivaramas, fizikas ir Užsienio santykių tarybos bendradarbis, tiria dviejų konkuruojančių mokslininkų, pasiryžusių pagaliau pristatyti ir komercializuoti dirbtinį lapą: Nathano Lewiso iš Caltech, pastarojo meto pažangą ir skirtingus tyrimų kelius. Danielis Nocera iš Harvardo universiteto.
Neseniai ramų Beverli Hilse vakarą Užsienio santykių tarybos nariai susirinko į viešbutį „Peninsula“ pasiklausyti, kaip mokslininkas dalinosi savo vizija, kaip sukurti dirbtinį lapą.
Iš vadovų ir buvusių ambasadorių kolekcijos dauguma nežinojo, ko tikėtis. Keletas nervingais žvilgsniais pasikeitė, kai supažindinau su kalbėtojo įgaliojimais, galbūt ruošdamasis neaiškiai fizikos paskaitai.
Tačiau mano tos nakties svečias Nate'as Lewisas, Kalifornijos technologijos instituto (Caltech) profesorius, yra retenybė tarp mokslininkų, nes sugeba sudėtingas sąvokas sujungti į įsimintinus garso įrašus ir įvairias tyrimų kryptis supinti į patrauklų pasakojimą. Lewisas, kurio žili plaukai liudija dešimtmečius, kuriuos jis praleido vaikydamasis dirbtinio lapo, savo pastabas apie saulės energijos ateitį pradėjo šiuo niūriu susikalbėjimu: Negalite laikyti? Po keturių nėra jėgų.
Jis savo žemu, niūriu balsu tvirtino, kad nesėkmė reiškia, kad mums skubiai reikia sukurti technologijas, galinčias saugoti saulės energiją kure, kurį prireikus būtų galima panaudoti. Jo pageidaujamas maršrutas, integruotas saulės kuro generatorius, yra elegantiškas prietaisas, kuris sugeria vandenį ir saulės šviesą bei išskleidžia dujinį vandenilį ir deguonį. Tada vandenilis gali būti naudojamas transporto priemonėms kuruoti, elektros energijai gaminti arba naudoti kaip žaliava sudėtingesniems degalams, pavyzdžiui, benzinui, gaminti.
Lewisas, taip pat pagrindinis federalinės valdžios finansuojamo Jungtinio dirbtinės fotosintezės centro tyrėjas, nori, kad jo dirbtinis lapas pralenktų geriausius gamtos augalus. Augalai, nepaisant visos sėkmės, iš tikrųjų siaubingai paverčia saulės šviesą energija. Net jei nieko nežinote apie tai, kaip veikia fotosintezė, iš lapų žalios spalvos galite suprasti, kad visiškai efektyvus energijos konvertavimas gali būti ne svarbiausias augalo prioritetas (juodi lapai daug geriau sugertų saulės spindulius). Žalieji chloroplastai lapų ląstelėse veikia pakankamai gerai, kad patenkintų augalų poreikius. Jie atlieka sudėtingas chemines reakcijas, kurios, skatinamos saulės energijos, anglies dioksidą ir vandenį paverčia energiją kaupiančiais cukrumi, reikalingais tokiai veiklai kaip išlikimas ir dauginimasis. Kai viskas pasakyta ir padaryta, efektyviausi augalai vos 1 procentą gaunamos saulės šviesos paverčia sukaupta energija.
Vis dėlto augalija siūlo bendrą modelį, kaip saulės šviesą paversti kuru. Fotosintezės pradžioje augalai skaido vandenį ir gamina vandenilį bei deguonį. Deguonis patenka į atmosferą, o vandenilis patenka į vėlesnes chemines reakcijas.
Tai, kaip augalai atlieka šį vandens skaidymą, yra pamokantis. Pirmoji pamoka yra ta, kad jie atskiria dvi vandens skaidymo cheminės reakcijos puses, tai yra, pusinės reakcijos, kurios gamina vandenilį ir deguonį. Evoliucija nebuvo piromanė, ir šis dizaino pasirinkimas neleidžia vandeniliui savaime užsidegti esant deguoniui. Antra, augale yra katalizatorių arba molekulių, kurios pagreitina pusines reakcijas. Trečia, augalai atskiria dvi pusines reakcijas membrana, kuri ne tik išlaiko vandenilį ir deguonį, bet ir leidžia pro ją prasiskverbti įkrautiems jonams, o tai svarbu norint išvengti krūvio disbalanso.
Mokslininkai, kuriantys saulės kuro generatorius, taip pat turi sujungti panašų komponentų rinkinį. Dvi medžiagos, žinomos kaip fotoelektrodai, yra panardintos į vandenį ir sugeria šviesos energiją, kad atliktų kiekvieną iš dviejų pusinių reakcijų, kad padidėtų vanduo. Du katalizatoriai pagreitina kiekvieną iš šių pusinių reakcijų. O membrana neleidžia sprogti visam prietaisui, vadinamam fotoelektrocheminiu elementu (PEC).
Tačiau panašumai tuo ir baigiasi. Kaip mėgsta sakyti Lewisas, pasisėmę įkvėpimo iš plunksnuotų paukščių, žmonės išmetė plunksnas ir išrado 747. Kitaip nei augalai, ateities saulės kuro generatoriai tikriausiai nenaudos dviejų žalių fotoelektrodų, kurie konkuruoja tarpusavyje, kad sugertų tą pačią dalį saulės spektras. Atvirkščiai, vienas iš jų – anodas, kuris sukuria deguonį iš vandens – turėtų panaudoti šviesos spalvas link mėlyno spektro galo, o spalvas link raudonojo spektro galo leisti jas sugerti apačioje esantis katodas. gamina vandenilį.
Įperkamai energijai gaminti reikės itin pigių ir gausių medžiagų. Tačiau tai dar ne viskas, ką PEC turi padaryti. Kad jis pasisektų, jis turi būti ne tik pigus, bet ir saugus, tvirtas ir efektyvus. Deja, kol kas mokslininkams pavyko sukurti įrenginius, turinčius ne daugiau kaip tris iš šių keturių charakteristikų.
Pradėkite nuo saugumo. Kad vandenilis ir deguonis nesusijungtų ir nesprogtų, PEC reikia membranos, atskiriančios dvi pusines reakcijas. Tačiau pusiau reakcija, kuri gamina deguonį iš vandens, taip pat paverčia tą vandenį rūgštiniu, o pusiau reakcija, kuri gamina vandenilį, šalia esantį vandenį paverčia baziniu. Mokslininkai turi rasti fotoelektrodų ir katalizatorių medžiagų, kurios neištirptų ar nerūdytų rūgštinėje ar šarminėje terpėje. Toks poreikis atmeta daugybę pigių medžiagų, kurios tokiomis sąlygomis neišgyventų. Todėl pagaminus saulės kuro generatorių iš pigių medžiagų ir įrengus jį membrana siekiant užtikrinti saugumą, jis gali neatlaikyti tvirtumo testo.
Tada apsvarstykite saulės energijos kiekį, kurį prietaisas paverčia energija, saugoma kaip vandenilis. Šis efektyvumas priklauso nuo to, kaip gerai fotoelektrodai kartu sugeria saulės šviesą ir kaip greitai dvi pusės reakcijos suskaido vandenį. Su kruopščiai parinktais fotoelektrodais ir katalizatoriais saulės kuro generatorius teoriškai gali pasiekti daugiau nei 30 procentų efektyvumo. Brangūs puslaidininkiai siūlo įvairių medžiagų savitarnos pasirinkimą, tačiau pigesnių junginių meniu yra daug ribotesnis. Panašiai tauriųjų metalų katalizatoriai, tokie kaip platina, puikiai pagreitina reakcijas, tačiau jie yra reti ir brangūs. Lewiso vadovaujama tarpdalykinė tyrėjų komanda ėmėsi didžiulių skaičiavimo galių, siekdama surasti medžiagas, kurios atitiktų visus keturis kriterijus, sistemingai imituodama tūkstančius junginių ir laboratorijoje išbandydama perspektyviausius kandidatus.
Sena gera mokslinė intuicija taip pat vaidino svarbų vaidmenį tyrimo procese, kaip ir šiek tiek pasisekė. Ryškūs du pavyzdžiai. Pirma, Lewisas ir jo bendradarbiai įkvėpė katalizatorius, naudojamus naftos perdirbimo gamyklose, siekiant pašalinti orą teršiančią sierą iš naftos produktų. Šie katalizatoriai yra pigūs ir puikiai paspartina pusiau reakciją, kuri gamina vandenilį. (Deja, mokslininkai vis dar ieško pigaus, veiksmingo deguonies gamybos pusinės reakcijos katalizatoriaus.)
Antra, mokslininkai Lewiso laboratorijoje netyčia padengė savo mėginius plonu titano dioksido sluoksniu ir rado stebinantį rezultatą. Titano dioksidas yra pagrindinis kremo nuo saulės ingredientas, kuris apsaugo jūsų odą blokuodamas ultravioletinius saulės spindulius. Tačiau čia itin plona danga atliko visiškai kitokį vaidmenį, apsaugodama fotoelektrodus ir katalizatorius nuo pagrindinio tirpalo suvalgymo.
Kartu pasiskolinta įžvalga iš naftos pramonės ir atsitiktinis kremo nuo saulės atradimas leido Lewisui ir kolegoms Caltech mokslininkams padaryti persilaužimą. 2015 m. jie paskelbė apie integruotą saulės kuro generatorių, kuris daugiau nei 10 procentų efektyviai paverčia saulės šviesą vandenilio kuru. Pats efektyvumas nebuvo didelis šuolis – kiti buvo pasiekę 22 proc. Tačiau „Caltech“ įrenginyje buvo naudojami pigūs, žemėje gausūs katalizatoriai, ir jis galėjo išsiurbti vandenilį per dvi nepertraukiamo veikimo dienas. Kaip koncepcijos įrodymas, jis erzino galimybę sukurti komerciškai perspektyvų produktą.
Jei ir kada ši technologija veda į komercinį produktą, mažai tikėtina, kad ji atrodys kaip lapai, kurie ją įkvėpė. Lewisas įsivaizduoja brezentą, išvyniotą per didžiulę erdvę, kad sugertų saulės spindulius, su kanalizacijos vamzdžiais, kad surinktų jo gaminamą vandenilį. Tai labai toli nuo vieno kubinio centimetro prototipo, kurį sukūrė jo komanda, tačiau, klausantis Lewiso vizijos, sunku nesvajoti.
Šventasis Gralis
Visoje šalyje Nate'as Lewisas kitas pripažintas mokslininkas taip pat siekia komercializuoti dirbtinį lapą. Kaip ir Lewisas, Danas Nocera iš Harvardo universiteto sumaniai derina mokslą ir komunikaciją, mėnulio šviesą kaip mokslo įžymybę – tai kažkas panašaus į Carlą Saganą, skirtą saulės kurui. Jis geba užmegzti ryšius su įvairiomis auditorijomis – nuo Amerikos fizikos draugijos mokslinių susirinkimų iki Aspeno instituto „hobnobbing“ viršūnių susitikimų. Jei jo minia valgo ant kepsnių, jis sušildys juos paklausdamas: ką ką tik sukramtėte? Saulė! Jautiena buvo tiesiog saulės šviesos energija.
Nors ir Lewisas, ir Nocera turi žilus plaukus, gebėjimą sudominti plačią auditoriją ir tą patį vadovą, kai jie mokėsi abiturientų mokykloje, jų požiūris į dirbtinio lapo kūrimą labai skiriasi, o tai lemia stiprią profesinę konkurenciją. Lewisas daugiausia dėmesio skiria vandenilio gamybai lazeriu, o „Nocera“ nori peršokti į vandenilį ir sukurti įrenginį, kuris panaudotų saulės šviesą, kad būtų tiesiogiai gaminamas patogus anglies turintis kuras, galintis iš karto pakeisti šiandieninius naftos produktus.
Kurį laiką Nocera buvo patenkinta, kad sutelkė dėmesį tik į vandenilio gamybą. 2011 m. jis patraukė mokslo pasaulio dėmesį, į stiklinę vandens įmetęs tarsi tamsų pašto ženklą, dėl kurio vandenilis ir deguonis burbuliavo iš abiejų pusių. Nepaisant paprastumo, jo dirbtinis lapas buvo 30 metų trukusių tyrimų kulminacija, siekianti jo, kaip Caltech absolvento, dienas. Padaręs proveržį, Nocera nusprendė pateikti savo naują technologiją rinkai.
Deja, jis ruošėsi išmokti pamoką, kurią išmoko beveik kiekvienas kitas Silicio slėnio švarios energijos startuolis: ateina tikrai sunki dalis. po to padaryti įdomų laboratorinį atradimą. Vėliau jis dejavo, aš padariau šventąjį mokslo gralį. Puiku! Tai nereiškia, kad aš padariau šventąjį technologijų gralį. Ir to nesupranta mokslininkai ir profesoriai. Jo startuolis „Sun Catalytix“ galiausiai atsisakė saulės kuro ir sukūrė baterijas, skirtas kaupti energiją elektros tinklui (2014 m. „Lockheed“ įsigijo įmonę už neskelbtą sumą).
Tačiau ši patirtis nesutrukdė jam vaikytis šventųjų gralių, todėl dabar Nocera siekia dar sunkesnio tikslo – panaudoti saulės šviesą, vandenį ir anglies dioksidą anglies pagrindu pagamintam skystajam kurui gaminti. Galimi tokios technologijos pranašumai yra įtikinami. Skystasis kuras jau turi milžiniškus pasaulinius infrastruktūros tinklus, įskaitant saugyklas, tarpkontinentinius vamzdynus ir naftos supertanklaierius, jau nekalbant apie visur esančias degalines visame pasaulyje. Įrenginys, galintis saulės šviesą paversti jau įprastai naudojamu kuru, galėtų susigrąžinti šią infrastruktūrą.
Lewisas teigia, kad perspektyviausias būdas gaminti anglies pagrindu pagamintą kurą iš saulės šviesos yra saulės generuojamas vandenilis kaip tarpininkas. Iš ten gerai suprantami pramoniniai procesai galėtų sujungti vandenilį su anglies dioksidu, gautu iš gamyklų ir elektrinių, deginančių iškastinį kurą, kad būtų galima pagaminti naudingo kuro, žinomo kaip angliavandeniliai. Saulės energijos perdirbimo gamykla galėtų sukurti tą patį angliavandenilių kuro asortimentą, kuris šiandien gaminamas naftos perdirbimo gamyklose, o vėliau naudojamas kaip transporto kuras arba paverčiamas įvairiais produktais nuo plastiko iki vaistų.
Kad ir kaip futuristiškai skambėtų, Nocera nori padaryti ką nors dar sudėtingesnio. Jis nori apeiti tarpinę vandenilio gamybą ir panaudoti saulės šviesą, vandenį ir anglies dioksidą. tiesiogiai gaminti anglies turintį kurą. Jei šį manevrą būtų galima atlikti ekonomiškai efektyviai ir dideliu mastu, tai būtų veiksmingiausias būdas vienu metu saugoti saulės šviesą įvairiapusiškiausiu žmonijai žinomu kuru.
Moksliniu požiūriu ši užduotis atrodo beveik neįmanoma. Pakankamai sunku padalyti vandenį, kad susidarytų vandenilis ir deguonis. Tačiau sukurti paprasčiausią angliavandenilį – vienos anglies metaną, kuris sudaro gamtines dujas – yra daug sudėtingesnis pasiūlymas. Tam reikės atrasti dar daugiau naujų medžiagų, kurios sugertų šviesą ir katalizuoja chemines reakcijas. Todėl komercinė technologija, skirta gaminti anglies pagrindą tiesiogiai iš saulės energijos, yra daug toliau nei ta, kuri gali gaminti vandenilį.
Nepaisant to, per pastaruosius trejus metus Nocera padarė daugybę neįtikėtinų proveržių. Pirmasis buvo konceptualus pokytis: užuot naudoję žmogaus sukurtus įrenginius fotosintezei įveikti, kodėl gi nepanaudojus gamtos? Nocera žinojo, kad gamta naudoja sudėtingus fermentus kaip fotosintezės katalizatorius, kad saulės šviesą paverstų sudėtingais cukrumi. Jis suprato, kad genetiškai modifikuotos bakterijos gali elgtis panašiai po to, kai yra aprūpintos galingų fermentų arsenalu.
Taigi 2015 m. „Nocera“ sukūrė hibridinį įrenginį, kuris pirmiausia suskaldė vandenį naudodamas neorganinį katalizatorių, kad gautų vandenilį, kaip tai daro kitos dirbtinių lapų technologijos. Tada tas pats prietaisas tiekė vandenilį kartu su grynu anglies dioksidu bakterijoms, kurios gamino skystąjį kurą. Tačiau nors klaidos puikiai pavertė anglies dioksidą ir vandenilį į įvairius degalus, jos buvo nesuderinamos su neorganiniu katalizatoriumi, kuris gamino reaktyviojo deguonies formas, kurios sunaikino bakterijų DNR.
Tada 2016 m. Nocera ir kolegos paskelbė straipsnį žurnale Mokslas pergalingai paskelbė apie naują katalizatorių, pagamintą iš kobalto ir fosforo lydinio. Jis ne tik paliko nepažeistas bakterijas, bet ir savaime susirinko iš tirpalo, imituodamas gamtoje esančius savaime gydančius katalizatorius. Katalizatoriui ir bakterijoms veikiant darniai, Nocera prietaisas sugebėjo pasiekti 10 procentų efektyvumą paverčiant saulės šviesą alkoholio kuru. Nocera pranešė, kad klaidos turėtų sugebėti gaminti keletą kitų anglies turinčių molekulių, skirtų įvairiems tikslams nuo transporto priemonių degalų tiekimo iki plastiko gamybos. Po to jis 2017 m. parodė, kad hibridinis katalizatorius ir bakterijos gali fiksuoti azotą atmosferoje, kad susidarytų amoniakas. Tai viliojantis atradimas, nes daugiau nei 1 procentas pasaulinės energijos šiandien sunaudojama amoniako gamyboje pasėliams tręšti ir pasauliui maitinti. Nocera prototipas rodo, kad vieną dieną saulės šviesa gali paskatinti šį procesą, o ne iškastinį kurą.
Žiuri vis dar svarsto, ar Noceros sprendimas panaudoti gyvus organizmus yra gera idėja. Iš tiesų, bakterijos yra gana subtilios, jautrios savo aplinkos rūgštingumui ir temperatūrai, todėl jas sunku sukurti. Išmanieji pinigai kol kas skiriami įrenginiams, kurie panaudoja saulės šviesą vandenilio gamybai greičiau nei tie, kurie bando tiesiogiai gaminti anglies pagrindu pagamintą kurą. Tačiau, derindami šiuolaikines medžiagas su gamtos magija, mokslininkai vis tiek gali peršokti paprastą vandenilį, siekdami perspektyvaus kelio į aukščiausią šventąjį gralį: 100 procentų švarų, pakeičiamą iškastinį kurą.
Ištrauka iš Saulės prisijaukinimas: naujovės saulės energijai panaudoti ir planetai maitinti Varun Sivaram, išleido MIT Press. 2018 m. Masačusetso technologijos institutas. Visos teisės saugomos.