Saulė + vanduo = kuras

Aš jums parodysiu tai, ko dar niekam nerodžiau, sakė MIT chemijos profesorius Danielis Nocera, kalbėdamas šių metų gegužę auditorijoje, kurioje gausu mokslininkų ir JAV vyriausybės energetikos pareigūnų. Jis paprašė namo valdytojo nuleisti šviesas. Tada jis pradėjo vaizdo įrašą. Ar tu tai matai? – susijaudinęs paklausė jis, rodydamas į burbulus, kylančius iš į vandenį panardintos medžiagos juostelės. Iš šio elektrodo teka deguonis. Tada jis šiek tiek paslaptingai pridūrė: „Tai ateitis“. Mes turime lapą.

Lapų pavydas: MIT chemikas Danielis Nocera imitavo fotosintezės etapą, kai žali augalai skaido vandenį.

Tai, ką Nocera demonstravo, buvo reakcija, kuri gamina deguonį iš vandens panašiai kaip žalieji augalai fotosintezės metu – tai pasiekimas, galintis turėti didelės įtakos diskusijoms apie energiją. Reakcija, atlikta naudojant jo sukurtą katalizatorių, yra pirmasis ir sunkiausias vandens padalijimo žingsnis, kad susidarytų vandenilio dujos. O efektyvus vandenilio generavimas iš vandens, Nocera įsitikinimu, padės įveikti vieną iš pagrindinių kliūčių, neleidžiančių saulės energijai tapti dominuojančiu elektros energijos šaltiniu: nėra ekonomiško būdo kaupti saulės kolektorių surinktą energiją, kad ją būtų galima panaudoti naktį arba debesuotomis dienomis.

Saulės energija turi unikalų potencialą generuoti daug švarios energijos, kuri neprisideda prie visuotinio atšilimo. Tačiau be pigių priemonių šiai energijai kaupti saulės energija negali pakeisti iškastinio kuro dideliu mastu. Pagal „Nocera“ scenarijų saulės šviesa suskaidys vandenį, kad susidarytų universalus, lengvai saugomas vandenilio kuras, kurį vėliau būtų galima sudeginti vidaus degimo generatoriuje arba rekombinuoti su deguonimi kuro elemente. Dar ambicingesnė reakcija galėtų būti panaudota jūros vandeniui skaidyti; Tokiu atveju vandenilį paleidus per kuro elementą, gautų gėlo vandens ir elektros.

Energijos kaupimas iš saulės imituojant fotosintezę yra tai, ką mokslininkai bandė daryti nuo aštuntojo dešimtmečio pradžios. Visų pirma, jie bandė atkartoti žaliųjų augalų vandens skaidymo būdą. Chemikai, žinoma, jau gali skaidyti vandenį. Tačiau šiam procesui prireikė aukštos temperatūros, atšiaurių šarminių tirpalų arba retų ir brangių katalizatorių, tokių kaip platina. Tai, ką sukūrė Nocera, yra nebrangus katalizatorius, kuris gamina deguonį iš vandens kambario temperatūroje ir be šarminių chemikalų – tokios pat gerybinės sąlygos, kaip ir augaluose. Kai kurie kiti perspektyvūs katalizatoriai, įskaitant kitą, kurį sukūrė Nocera, galėtų būti naudojami procesui užbaigti ir vandenilio dujoms gaminti.

Multimedija

• Danielis Nocera savo kalboje aprašo dirbtinės fotosintezės iššūkius.

Nocera mato du būdus, kaip pasinaudoti savo proveržiu. Pirmajame įprastos saulės baterijos gaudytų saulės šviesą, kad gamintų elektrą; savo ruožtu ta elektra maitintų įrenginį, vadinamą elektrolizatoriumi, kuris naudotų jo katalizatorius vandeniui skaidyti. Antrasis metodas būtų naudojamas sistemai, kuri labiau imituoja lapo struktūrą. Katalizatoriai būtų naudojami kartu su specialiomis dažų molekulėmis, skirtomis saulės šviesai sugerti; dažų gauta energija paskatintų vandens skaidymo reakciją. Bet kuriuo atveju saulės energija būtų paversta vandenilio kuru, kurį būtų galima lengvai laikyti ir naudoti naktį arba bet kada, kai to reikia.

Įžūlūs Noceros teiginiai apie jo pažangos svarbą yra tokie, kokių akademiniai chemikai paprastai nemėgsta reikšti savo bendraamžių akivaizdoje. Iš tiesų, nemažai ekspertų suabejojo, kaip gerai galima išplėsti jo sistemą ir kiek ji bus ekonomiška. Tačiau Nocera nerodo jokių atsitraukimo ženklų. Šiuo atradimu aš visiškai pakeičiau dialogą, – sakė jis gegužę auditorijai. Visi seni argumentai išeina pro langą.

Tamsioji saulės pusė
Saulės šviesa yra didžiausias pasaulyje potencialus atsinaujinančios energijos šaltinis, tačiau šis potencialas gali lengvai likti neįgyvendintas. Saulės baterijos ne tik neveikia naktį, bet ir dienos metu, kai debesys slenka virš galvos, jų gamyba sulėtėja. Štai kodėl šiandien dauguma saulės baterijų – tiek saulės energijos fermose, kurias stato komunalinės paslaugos, tiek sumontuotos ant namų ir įmonių stogų – yra prijungtos prie elektros tinklo. Saulėtomis dienomis, kai saulės baterijos veikia didžiausiu pajėgumu, namų savininkai ir įmonės gali parduoti elektros energijos perteklių komunalinėms įmonėms. Tačiau dažniausiai jie turi pasikliauti tinkleliu naktį arba kai plokštes užgožia debesys.

Ši sistema veikia tik todėl, kad saulės energija daro tokį nedidelį indėlį į bendrą elektros gamybą: ji patenkina nedidelę 1 procento bendros paklausos JAV dalį. Augant saulės energijos indėliui, jos nepatikimumas taps vis rimtesne problema.

Jei saulės energija išaugs tiek, kad pagamintų tik 10 procentų visos elektros energijos, komunalinės paslaugos turės nuspręsti, ką daryti, kai debesys pasislenka didžiausios paklausos metu, sako Ryanas Wiseris, mokslininkas, tyrinėjantis Lawrence'o Berkeley nacionalinės laboratorijos elektros rinkas. Berklyje, Kalifornijoje. Arba komunalinės įmonės turės eksploatuoti papildomas gamtinių dujų jėgaines, kurios gali greitai įsibėgėti, kad kompensuotų prarastą galią, arba investuoti į energijos kaupimą. Pirmasis variantas šiuo metu yra pigesnis, sako Wiser: Elektros saugykla tiesiog per brangi.

Tačiau jei saulės energija sudarys daugiau nei apie 20 procentų visos elektros energijos, pasak jo, ji pradės prisidėti prie vadinamosios bazinės apkrovos galios, energijos kiekio, reikalingo minimaliai paklausai patenkinti. Ir bazinės apkrovos galia (kuri dabar daugiausia tiekiama iš anglimi kūrenamų elektrinių) turi būti tiekiama palyginti pastoviu greičiu. Saulės energija negali būti panaudota šiam tikslui, nebent ji gali būti kaupiama dideliais kiekiais, kad būtų galima naudoti 24 valandas per parą, esant geram orui ir blogam.

Trumpai tariant, kad saulės energija taptų pagrindiniu elektros energijos šaltiniu, reikės daug įperkamos saugyklos. O šiandieninės elektros saugojimo galimybės tiesiog nėra pakankamai praktiškos, sako Nathanas Lewisas, Caltech chemijos profesorius. Pasinaudokite vienu iš pigiausių būdų: naudokite elektrą vandeniui pumpuoti į kalną, o paskui vandenį per turbiną, kad vėliau būtų gaminama elektra. Vienas kilogramas vandens, išpumpuotas 100 metrų, sukaupia apie kilodžaulį energijos. Palyginimui, kilograme benzino yra apie 45 000 kilodžaulių. Norint sukaupti pakankamai energijos tokiu būdu, reikėtų didžiulių užtvankų ir didžiulių rezervuarų, kurie būtų ištuštinami ir pildomi kiekvieną dieną. Ir pabandykite rasti pakankamai vandens tokiose vietose kaip Arizona ir Nevada, kur saulės šviesos yra ypač daug.

Tuo tarpu baterijos yra brangios: jos gali pridėti 10 000 USD prie įprastos namų saulės sistemos kainos. Ir nors jie tobulėja, jie vis tiek sukaupia daug mažiau energijos nei kuras, pavyzdžiui, benzinas ir vandenilis, kaupia cheminių ryšių pavidalu. Lewiso teigimu, geriausi akumuliatoriai sulaiko apie 300 vatvalandžių energijos vienam kilogramui, o benzinas – 13 000 vatvalandžių vienam kilogramui. Skaičiai rodo, kad cheminis kuras yra vienintelis daug energijos reikalaujantis būdas gauti didžiulį energijos kaupimą, sako Lewisas. Iš šių degalų vandenilis ne tik gali būti švaresnis nei benzinas, bet ir pagal svorį sukaupia daug daugiau energijos – maždaug tris kartus daugiau, nors ir užima daugiau vietos, nes tai yra dujos.

Iššūkis yra panaudoti saulės energiją, kad toks kuras būtų pigus ir efektyvus. Čia atsiranda Nocera pastangos imituoti fotosintezę.

Fotosintezė stiklinėje: Eksperimentinėje sąrankoje, kuri atkartoja fotosintetinių augalų gerybines sąlygas, -Daniel ¬Nocera pademonstravo lengvą ir galimai pigų būdą vandenilio dujoms gaminti. Kai įjungiama įtampa, kobaltas ir fosfatas tirpale (kairėje) kaupiasi ant elektrodo ir sudaro katalizatorių, kuris iš vandens išskiria deguonies dujas, kai elektronai išteka per elektrodą. Vandenilio jonai teka per membraną; iš kitos pusės, vandenilio dujas gamina nikelio metalo katalizatorius (Nocera taip pat naudojo platinos katalizatorių).

Imituojantys augalai
Tikroje fotosintezėje žalieji augalai naudoja chlorofilą, kad gautų saulės spindulių energiją, o vėliau tą energiją panaudotų sudėtingoms cheminėms reakcijoms, kurios paverčia vandenį ir anglies dioksidą į daug energijos turinčiais angliavandeniais, tokiais kaip krakmolas ir cukrus. Tačiau tai, kas pirmiausia domina daugelį tyrėjų, yra ankstyvas proceso etapas, kuriame baltymų ir neorganinių katalizatorių derinys padeda efektyviai suskaidyti vandenį į deguonies ir vandenilio jonus.

Dirbtinės fotosintezės sritis greitai prasidėjo. Aštuntojo dešimtmečio pradžioje Tokijo universiteto magistrantas Akira Fujishima ir jo darbo patarėjas Kenichi Honda parodė, kad elektrodai, pagaminti iš titano dioksido – baltų dažų komponento – lėtai skaido vandenį, kai juos veikia šviesa iš ryškios spalvos. , 500 vatų ksenoninė lempa. Išvada parodė, kad šviesa gali būti naudojama vandens dalijimui už augalų ribų. 1974 m. Thomas Meyeris, Šiaurės Karolinos universiteto Chapel Hill chemijos profesorius, parodė, kad rutenio pagrindu pagaminti dažai, veikiami šviesos, cheminiai pakito, todėl jie gali oksiduoti vandenį arba ištraukti elektronus. – svarbiausias pirmasis vandens skaidymo žingsnis.

Galiausiai nė viena technika nepasirodė praktiška. Titano dioksidas negalėjo sugerti pakankamai saulės šviesos, o šviesos sukelta cheminė būsena Meyerio dažuose buvo per trumpalaikė, kad būtų naudinga. Tačiau pažanga sužadino mokslininkų vaizduotę. Galite pažvelgti į priekį ir pamatyti, kur eiti, ir bent iš principo sudėti dalis, sako Meyeris.

Per ateinančius kelis dešimtmečius mokslininkai tyrinėjo augalų struktūras ir medžiagas, kurios sugeria saulės šviesą ir kaupia jos energiją. Jie nustatė, kad augalai kruopščiai choreografuoja vandens molekulių, elektronų ir vandenilio jonų, ty protonų, judėjimą. Tačiau daug apie tikslius susijusius mechanizmus liko nežinoma. Tada, 2004 m., Londono imperatoriškojo koledžo mokslininkai nustatė baltymų ir metalų grupės struktūrą, kuri yra labai svarbi išlaisvinant deguonį iš vandens augaluose. Jie parodė, kad šio katalizinio komplekso širdis buvo baltymų, deguonies atomų ir mangano bei kalcio jonų, kurie sąveikauja specifiniais būdais, rinkinys.

Kai tik tai pamatėme, galime pradėti kurti sistemas, sako Nocera, kuris nuo 1984 m. bandė iki galo suprasti fotosintezės chemiją. Pasak jo, skaitydama šį planą, jo grupė nusprendė valdyti protonus ir elektronus tam tikru būdu. augalai daro, bet naudoja tik neorganines medžiagas, kurios yra tvirtesnės ir stabilesnės nei baltymai.

Iš pradžių Nocera nesprendė didžiausio iššūkio – ištraukė iš vandens deguonį. Atvirkščiai, norėdamas gauti mūsų treniruočių ratus, jis pradėjo nuo atvirkštinės reakcijos: sujungdamas deguonį su protonais ir elektronais, kad susidarytų vanduo. Jis nustatė, kad tam tikri sudėtingi junginiai, kurių pagrindą sudaro kobaltas, buvo geri šios reakcijos katalizatoriai. Taigi, kai atėjo laikas pabandyti skaidyti vandenį, jis nusprendė naudoti panašius kobalto junginius.

Nocera žinojo, kad darbas su šiais junginiais vandenyje gali būti problema, nes kobaltas gali ištirpti. Nenuostabu, sako jis, per kelias dienas supratome, kad iš šio sudėtingo junginio, kurį pagaminome, iškrenta kobaltas. Kai pirmieji bandymai žlugo, jis nusprendė pasirinkti kitokį požiūrį. Užuot naudojęs sudėtingą junginį, jis išbandė ištirpusio kobalto katalizinį aktyvumą, į vandenį pridėdamas šiek tiek fosfato, kad padėtų reakcijai. Sakėme: pamirškime visus sudėtingus dalykus ir tiesiog naudokime kobaltą, sako jis.

Saulė eina solo: Dirbtinė fotosintezė galėtų būti praktiškas saulės energijos pagamintos energijos kaupimo būdas, išlaisvinant žmonių namus nuo elektros tinklo. Pagal šią schemą elektra iš saulės baterijų maitina elektrolizatorių, kuris suskaido vandenį į vandenilį ir deguonį. Vandenilis saugomas; naktį arba debesuotomis dienomis jis tiekiamas į kuro elementą, kad būtų pagaminta elektros energija apšvietimui, prietaisams ir net elektromobiliams. Saulėtomis dienomis dalis saulės energijos naudojama tiesiogiai, apeinant vandenilio gamybos etapą.

Eksperimentas pavyko geriau, nei tikėjosi Nocera ir jo kolegos. Į tirpalą panardintą elektrodą paveikus srovę, ant jo plona plėvele susikaupė kobaltas ir fosfatas, o vos per kelias minutes pradėjo formuotis tankus burbuliukų sluoksnis. Tolesni bandymai patvirtino, kad burbuliukai buvo deguonis, išsiskiriantis skaidant vandenį. Štai ir pasisekė, sako Nocera. Neturėjome jokios priežasties tikėtis, kad paprastas kobaltas su fosfatu, o ne kobaltas, surištas viename iš mūsų kompleksų, taip gerai veiks. Negalėjau to nuspėti. Daiktai, kurie iškrito iš junginių, pasirodė tokie, kokių mums reikėjo.

Dabar mes norime tai suprasti, tęsia jis. Noriu sužinoti, kodėl kobaltas šioje plonoje plėvelėje yra toks aktyvus. Galbūt galėsiu jį patobulinti arba naudoti kitą, geresnį metalą. Tuo pačiu metu jis nori pradėti dirbti su inžinieriais, siekdamas optimizuoti procesą ir sukurti veiksmingą vandens skaidymo elementą, kuriame būtų deguonies ir vandenilio generavimo katalizatoriai. Mus tikrai domino pagrindiniai mokslai. Ar galime sukurti katalizatorių, kuris efektyviai veiktų fotosintezės sąlygomis? jis sako. Atsakymas dabar yra taip, mes galime tai padaryti. Dabar mes tikrai turime pereiti prie ląstelės projektavimo technologijos.

Diskusijos katalizatorius
Noceros atradimas susilaukė daug dėmesio, ir ne visi jie buvo glostantys. Daugelis chemikų mano, kad jo teiginiai yra pervertinti; jie neginčija jo išvadų, bet abejoja, ar jos turės tokias pasekmes, kokias jis įsivaizduoja. Teiginys, kad tai yra dirbtinės fotosintezės atsakymas, yra beprotiškas, sako Thomas Meyeris, kuris buvo Nocera mentorius. Jis sako, kad nors Nocera katalizatoriai gali pasirodyti technologiškai svarbūs, pažanga yra mokslinių tyrimų išvada, ir nėra jokios garantijos, kad ją bus galima padidinti ar netgi pritaikyti praktiškai.

Daugelis kritikų prieštaravimų yra susiję su tuo, kad Nocera laboratorija nesugeba skaidyti vandens beveik taip pat greitai, kaip tai daro komerciniai elektrolizatoriai. Kuo greitesnė sistema, tuo mažesnis būtų komercinis vienetas, gaminantis tam tikrą vandenilio ir deguonies kiekį. Ir apskritai mažesnės sistemos yra pigesnės.

Skirtingų katalizatorių palyginimo būdas yra pažvelgti į jų srovės tankį, ty elektros srovę kvadratiniam centimetrui, kai jie yra efektyviausi. Kuo didesnė srovė, tuo greičiau katalizatorius gali gaminti deguonį. Nocera pranešė apie 1 miliampero kvadratiniam centimetrui rezultatus, nors jis sako, kad nuo to laiko pasiekė 10 miliamperų. Komerciniai elektrolizatoriai paprastai veikia maždaug 1000 miliamperų kvadratiniame centimetre. Bent jau tai, ką jis paskelbė iki šiol, niekada netiktų komerciniam elektrolizatoriui, kuriame srovės tankis yra nuo 800 iki 2000 kartų didesnis, sako Johnas Turneris, Nacionalinės atsinaujinančios energijos laboratorijos Golden, CO mokslinis bendradarbis.

Kiti ekspertai abejoja visu principu, kai saulės šviesa paverčiama elektra, tada cheminiu kuru ir vėl elektra. Jie teigia, kad nors baterijos sukaupia daug mažiau energijos nei cheminis kuras, jos vis dėlto yra daug efektyvesnės, nes naudojant elektrą kurui gaminti, o vėliau naudojant kurą elektrai gaminti, energija švaistoma kiekviename žingsnyje. Pasak jų, geriau būtų sutelkti dėmesį į baterijų technologijos ar kitų panašių elektros saugojimo formų tobulinimą, o ne į vandens skirstytuvų ir kuro elementų kūrimą. Kaip sako Ryanas Wiseris, elektrolizė [šiuo metu] yra neefektyvi, tad kodėl turėtumėte tai daryti?

Dirbtinis lapas
Tačiau Michaelas Grätzelis gali turėti protingą būdą, kaip Noceros atradimą panaudoti praktiškai. Chemijos ir chemijos inžinerijos profesorius École Polytechnique Fédérale Lozanoje, Šveicarijoje, jis buvo vienas iš pirmųjų žmonių, kuriems Nocera papasakojo apie savo naująjį katalizatorių. Jis buvo toks susijaudinęs, sako Grätzel. Jis nuvedė mane į restoraną ir nusipirko nepaprastai brangų vyno butelį.

1991 m. Grätzel išrado daug žadantį naujo tipo saulės elementą. Jame naudojami dažai, kurių sudėtyje yra rutenio, kuris veikia panašiai kaip chlorofilas augale, sugeria šviesą ir išskiria elektronus. Tačiau Grätzel saulės elemente elektronai nesukelia vandens skaidymo reakcijos. Vietoj to, jie surenkami titano dioksido plėvele ir nukreipiami per išorinę grandinę, gaminant elektros energiją. Grätzel dabar mano, kad gali integruoti savo saulės elementą ir Nocera katalizatorių į vieną įrenginį, kuris fiksuoja saulės spindulių energiją ir naudoja ją vandeniui skaidyti.

Jei jis teisus, tai būtų reikšmingas žingsnis kuriant įrenginį, kuris daugeliu atžvilgių tikrai primena lapą. Idėja yra ta, kad Grätzel dažai užims elektrodo, ant kurio susidaro katalizatorius, vietą Nocera sistemoje. Patys dažai, veikiami šviesos, gali generuoti įtampą, reikalingą katalizatoriui surinkti. Dažai veikia kaip molekulinė viela, kuri pašalina krūvius, sako Grätzel. Tada katalizatorius surenkamas ten, kur jo reikia, tiesiai ant dažų. Kai susidaro katalizatorius, dažų sugeriama saulės šviesa skatina reakcijas, kurios skaido vandenį. Grätzel teigia, kad įrenginys galėtų būti efektyvesnis ir pigesnis nei naudojant atskirą saulės bateriją ir elektrolizatorių.

Kita galimybė, kurią Nocera tiria, yra tai, ar jo katalizatorius gali būti naudojamas jūros vandeniui skaidyti. Pirminiais bandymais jis gerai veikia esant druskai, o dabar jis bando, kad pamatytų, kaip ji elgiasi su kitais jūroje randamais junginiais. Jei tai veiks, Nocera sistema galėtų išspręsti ne tik energijos krizę; tai galėtų padėti išspręsti ir pasaulyje didėjantį gėlo vandens trūkumą.

Dirbtiniai lapai ir kurą gaminančios gėlinimo sistemos gali skambėti kaip grandioziniai pažadai. Tačiau daugeliui mokslininkų tokios galimybės atrodo beprotiškai artimos; chemikai, ieškantys naujų energijos technologijų, dešimtmečius buvo pašiepiami dėl to, kad augalai lengvai naudoja saulės šviesą, kad gausias medžiagas paverstų energijos turinčiomis molekulėmis. Matome, kad tai vyksta visur aplink mus, bet to tikrai negalime padaryti, sako Paulas Alivisatosas, Kalifornijos universiteto Berklio chemijos ir medžiagų mokslo profesorius, vadovaujantis Lawrence'o Berkeley nacionalinės laboratorijos pastangoms mėgdžioti. fotosintezė cheminėmis priemonėmis.

Tačiau netrukus, remdamiesi pačios gamtos planu, žmonės gali panaudoti saulę kuro gamybai iš stiklinės vandens, kaip sako Nocera. Ši idėja turi elegancijos, kurią gali įvertinti bet kuris chemikas, ir galimybių, kurias kiekvienas turėtų tikėtis.

Kevinas Bullisas yra Technologijų apžvalga Energijos redaktorius.

paslėpti