211service.com
Pasaulio energijos poreikių tiekimas šviesa ir vandeniu
Kol mokslininkai ir technologai visame pasaulyje ieško švaresnių energijos šaltinių, kai kurie chemikai imasi elegantiško gamtos sprendimo – fotosintezės. Fotosintezės metu žalieji augalai naudoja saulės spindulių energiją, kad skaidytų vandenį ir anglies dioksidą. Vykdant sudėtingas chemines reakcijas manipuliuojant elektronais ir vandenilio, deguonies ir anglies atomais, galiausiai susidaro celiuliozė ir ligninas, sudarantys augalo struktūrą, taip pat sukaupta energija cukraus pavidalu. Suprasdamas, kaip veikia šis procesas, mąsto Danielis Nocera MIT chemijos profesorius, galėtų padėti gaminti ir kaupti saulės energiją tokiomis formomis, kurios būtų praktiškos varyti automobilius ir tiekti elektrą net tada, kai saulė nešviečia.
Energijos išlaisvinimas: Danielis Nocera, MIT chemijos profesorius, teigia, kad pagrindiniai cheminių fotosintezės procesų tyrimai gali padėti sukurti visuomenę, maitinamą vandens ir saulės šviesos.
Anot Noceros, pripažinto fotosintezės eksperto, mums reikia proveržių suvokiant pagrindinius cheminius procesus, dėl kurių galima fotosintezė. Jis tiria fotosintezės principus ir taiko tai, ką išmoko, kurdamas katalizatorius, naudojančius saulės energiją vandenilio dujoms kuro elementams gaminti. Noceros tikslas: pasaulis, maitinamas šviesos ir vandens.
Technologijų apžvalga : Koks šiuo metu didžiausias iššūkis, susijęs su energetika?
Danielis Nocera : Tikrasis energijos iššūkis yra mastelio keitimo problema. Mums reikės šio didžiulio energijos poreikio, o kai pradėsite žiūrėti į visus skaičius, yra tik viena atsarga, kuri turi mastelį, ir tai yra saulė. Bet tai vis dar yra tyrimo problema. Visos technologijos atitinka eilutes; tada yra atradimas ir nauja linija, kuri yra geresnė. Dabar saulės energijos srityje esame labai nuspėjamoje linijoje. Dauguma dalykų, apie kuriuos girdite, yra laipsniškas pažanga.
VAIKAI : Studijuojate fotosintezę, kad gautumėte idėjų, kaip saulės šviesą paversti cheminiu kuru – vandeniliu – naudoti, kai saulė nešviečia arba kuro elementų transporto priemonėse.
DN : Galite naudoti elektrą tiesiogiai, kai šviečia saulė, vietose, kuriose yra saulė. [Bet] jums reikia saugyklos. To visiškai nėra. Aš distiliuoju fotosintezės esmę, kad galėčiau ją panaudoti.
VAIKAI : Kodėl fotosintezė patraukli ieškant švarios energijos šaltinio?
DN : [Photosynthesis] atlieka tris dalykus. Jis fiksuoja saulės šviesą ir [antra,] paverčia ją belaidžiu srove – lapai dūzgia nuo elektros. Ir trečia, ji saugo. Jis kaupia konvertuotą šviesos energiją į cheminę energiją. Ir tą cheminę energiją naudoja savo gyvybės procesui, o vėliau po truputį kaupia.
Pasirodo, fotosintezė yra viena iš efektyviausių energijos konvertavimo mašinų pasaulyje. Tačiau jis nėra puikus energijos kaupimui, nes [augalas] nebuvo pastatytas tam. Jis buvo pastatytas gyventi, augti ir daugintis.
Taigi mes laikomės tokio požiūrio. Ar dabar galime padaryti tai, ką lapas daro dirbtinai, ty užfiksuoti, paversti ir saugoti cheminiuose ryšiuose? Tačiau mano prietaisas neprivalo gyventi: jis gali sunaudoti daug daugiau tos energijos ir sujungti ją su cheminiais ryšiais.
VAIKAI : Ir jums pasisekė panaudoti tai, ką išmokote.
DN : Mes padarėme junginį, kuris gamina vandenilį naudojant šviesą. Turime kažką, ką galite ištirpinti tirpale, apšviesti jį šviesa ir vandenilis burbuliuoja. Tai padarė ne taip efektyviai. Tačiau tai buvo didelis pažanga, nes jame buvo daug naujų koncepcijų, rodančių, kaip galite naudoti saulės šviesą vandenilio gamybai.
VAIKAI : Kokias tyrimo problemas sprendžiate ir kurios, jūsų manymu, gali lemti didelį žingsnį į priekį saulės energijos srityje?
DN : Kažkas, dėl ko mes tikrai sunkiai dirbome, yra [suprasti] projektavimo principus, kuriais vadovaujasi fotosintezė.
Viena iš jų yra ta, kad kai [fotosintezė] padalija vandenį į vandenilį ir deguonį, jis naudoja daugiau nei vieną elektroną. Ši srovė teka po vieną elektroną. Bet tada [augalas] juos saugo ir vienu metu naudoja keturis elektronus. Mes nežinome, kaip labai gerai atlikti kelių elektronų reakcijas. Mes net neturime teorijų jiems apibūdinti.
Ir tada jūs turite valdyti protonus – tai biologija daro tikrai gerai. Ji paima elektros srovę ir paverčia ją chemine srove, o cheminę srovę vedantis dalykas yra protonai. Ir tada jis siunčia atomus. Fotovoltinė energija siunčia elektronus į tašką. Fotosintezė iš tikrųjų siunčia ne elektroną, o atomą. Ir tai dar sunkesnis dalykas, nes atomai yra daug sunkesni už elektronus. Taigi mes giliai supratome, kaip perkelti atomus [pvz., vandenilio atomus] iš taško A į B, kad jie galėtų susijungti vienas su kitu? Kaip juos surinkti, kad jie galėtų susijungti?
VAIKAI : Rašote, kad chemija greičiausiai atliks svarbiausią vaidmenį iš visų mokslų sprendžiant energijos problemas. Kaip apibendrintumėte chemijos vaidmenį?
DN : Žaidimų keitėjams tai tikrai paprasta. Yra trys.
Padarykite fotoelektrą pigiai, o tai yra daug chemijos. Tai išranda naujų medžiagų, kad PV būtų pigus.
Pakeiskite tauriuosius metalus – tokius kaip platina – gausiais metalais. Nes daiktų neužtenka. Kai kalbate apie tokį mastą, geriau naudokite tokius dalykus kaip geležis ir manganas. Geriau pažiūrėkite į savo knygą, kurioje parašyta, kokie elementai yra gausiausi žemės paviršiuje.
VAIKAI : Ir tai skirta kuro elementams, taip pat fotovoltiniams elementams.
DN : Fotoelektra – viskas. Tai yra tikroji technologijų problema, kurią turite nepamiršti. Ne kažkas tokio puikaus, jis yra 100 procentų efektyvus – ir, beje, aš naudoju rutenį. Dabar galiu naudoti rutenį, kad išmokyčiau principą, bet rutenis yra žemiau geležies [periodinėje lentelėje]. Taigi geriau išsiaiškinsiu, kaip viską, ką moku, paimti su ruteniu ir pritaikyti jį geležies?
VAIKAI : O trečiasis žaidimo keitiklis?
DN : Padalykite vandenį su šviesa. Atlikite šiuos tris dalykus ir turėsite visiškai naują energijos ekonomiką. Man sunku tiksliai pasakyti, kaip ta technologija atrodys, nes trūksta mokslo. Tačiau 1900-ųjų pradžioje sukūrėme ištisą visuomenę, paremtą nauja energetikos sistema. Ir aš tikiu, kad kai saulės energija bus įdiegta, naudojant biokurą ir šiek tiek vėjo, mes vėl sukursime savo visuomenę iš naujo energijos šaltinio.