وقتی می توانید انرژی خورشیدی را با یک برگ مصنوعی مهار کنید، چه کسی به گیاهان نیاز دارد؟

استفاده از انرژی خورشیدی برای تقلید از فتوسنتز دشوارتر از آنچه به نظر می رسد است، اما تیمی از آزمایشگاه برکلی بخشی از کد "برگ مصنوعی" را شکسته اند.

ایده دستگاه ساخت انسان که می تواند انرژی خورشیدی را برای تولید سوخت های قابل استفاده پردازش کند، از دهه 1970 محققان را وسوسه می کرد. از آنجایی که چیزی به نام ناهار رایگان وجود ندارد، مهندسی دستگاهی که فتوسنتز را تقلید کند، کاری که مادر طبیعت مدت‌ها پیش آن را به کمال رسانده، چندان آسان نیست. با این وجود، به نظر می‌رسد محققان آزمایشگاه لارنس برکلی وزارت انرژی در کالیفرنیا بخش مهمی از چالش «برگ مصنوعی» را حل کرده‌اند.

انرژی خورشیدی و برگ های مصنوعی آینده
مفهوم برگ مصنوعی برای اولین بار در سال 2011 به شکل یک سلول فوتوالکتروشیمیایی با اندازه کارت از رادار CleanTechnica عبور کرد. این سلول به جای تبدیل نور خورشید به الکتریسیته، به عنوان کاتالیزوری عمل می کند که انرژی خورشیدی را برای شکستن آب به اکسیژن و هیدروژن به کار می گیرد. .
نسخه های اولیه دستگاه نیاز به آب تصفیه شده داشتند. در سال 2013، محققان متوجه شدند که چگونه از پوشش ناخالصی های لایه ای بر روی کاتالیزور خورشیدی جلوگیری کنند و آن را در آب های آلوده استفاده کنند.
تقریباً در همان زمان، پیشرفت‌های بیشتری در مفهوم برگ مصنوعی ظاهر شد، یکی از حوزه‌های اصلی تحقیقات کاهش هزینه کاتالیزور خورشیدی بود. تکرارهای جدید همچنین شامل یک برگ مصنوعی بود که از نور خورشید برای تبدیل دی اکسید کربن به مونوکسید کربن، یک بلوک ساختمانی شیمیایی در همه جا استفاده می کند.
تا سال 2014، محققان آزمایشگاه برکلی در حال کار بر روی نسخه "بیونیک" مفهوم برگ مصنوعی بودند. آنها تولید هیدروژن از طریق انرژی خورشیدی را به صفر رساندند، بر این فرض که ارزش ذخیره انرژی هیدروژن به ایجاد یک مسیر مقرون به صرفه برای نسخه تجاری برگ مصنوعی کمک می کند.
تنها یک سال بعد، محققان دانشگاه لوند یک برگ مصنوعی «مافوق صوت» را بر اساس مولکول‌های مهندسی شده اعلام کردند که می‌تواند انرژی خورشیدی را جمع‌آوری کرده و به عنوان یک کاتالیزور عمل کند. هدف این نسخه نیز تولید هیدروژن بود که پتانسیل افزودن متان را به لیست داشت.

چرا وقتی انرژی باد و خورشیدی داریم، فتوسنتز مصنوعی را به خود مشغول کنیم؟
اکنون که انرژی باد و خورشید بسیار ارزان هستند، منصفانه است که بپرسیم چرا محققان هنوز آنقدر داغ هستند تا فتوسنتز مصنوعی را انجام دهند. اگر هدف تولید هیدروژن از آب باشد، می توان این کار را با استفاده از انرژی خورشیدی برای اجرای یک سیستم الکترولیز انجام داد، که از جریان الکتریکی برای بیرون راندن گاز هیدروژن از آب استفاده می کند.
برای پاسخ، بیایید به دانشگاه پردو مراجعه کنیم، که در ژوئن گذشته مقاله‌ای در مورد مزایای تقلید فتوسنتز نسبت به تولید برق از توربین‌های بادی و پنل‌های خورشیدی منتشر کرد.
نزدیک‌ترین فرآیند به فتوسنتز مصنوعی که امروزه انسان‌ها انجام می‌دهند، فناوری فتوولتائیک است، جایی که یک سلول خورشیدی انرژی خورشید را به الکتریسیته تبدیل می‌کند. پردو خاطرنشان کرد: این فرآیند به طرز معروفی ناکارآمد است و می‌تواند تنها حدود 20 درصد از انرژی خورشید را بگیرد. از طرف دیگر، فتوسنتز به طور اساسی کارآمدتر است. قادر است 60 درصد انرژی خورشید را به عنوان انرژی شیمیایی در زیست مولکول های مرتبط ذخیره کند.
غم انگیز اما واقعی محققان به دنبال سلول‌های خورشیدی جدیدی هستند که رکوردهای تبدیل انرژی خورشیدی را می‌شکستند. کارآمدترین آنها با اختلاف زیادی از مرز 20% عبور کرده اند، اما به 60% نزدیک نمی شوند.
پوردو از بیوفیزیکدان و محقق انرژی خورشیدی یولیا پوشکار استناد کرد که بر مزیت برگ مصنوعی تأکید کرد.
او گفت: «با فتوسنتز مصنوعی، محدودیت‌های فیزیکی اساسی وجود ندارد. "شما می توانید به راحتی سیستمی را تصور کنید که 60 درصد کارآمد باشد، زیرا ما قبلاً در فتوسنتز طبیعی سابقه ای داریم. و اگر ما خیلی جاه طلب باشیم، حتی می توانیم سیستمی با کارایی تا 80 درصد را متصور شویم.»
شما نمی توانید طبیعت مادر را گول بزنید مگر اینکه واقعاً تلاش کنید
وقتی گیاهی انرژی خورشیدی را پردازش می کند، رشد می کند. متأسفانه زمانی که دانشمندان سعی می کنند همین کار را با یک برگ مصنوعی انجام دهند، از هم می پاشد. این فقط نشان می دهد که مادر طبیعت تا چه اندازه نابغه است.
این ما را به آخرین توسعه می رساند. در اوایل این ماه آزمایشگاه برکلی اشاره کرد که یک تیم تحقیقاتی به سرپرستی دانشمند کارمند فرانچسکا توما اخیراً به پیشرفتی دست یافتند. سهم آنها در زمینه فتوسنتز مصنوعی بر روی مسئله دوام تمرکز دارد.
ضعف در سیستم برگ مصنوعی معمولی نتیجه استفاده از شکل بلوری مس به نام اکسید مس است. اکسید مس یک ماده ترجیحی در سلول های فوتوالکتروشیمیایی است به دلیل واکنش پذیری بالایی که در برابر نور دارد، اما پس از چند دقیقه در معرض نور قرار گرفتن تجزیه می شود.

بنابراین، چرا باید به یک پیشنهاد بازنده پایبند بود؟
آزمایشگاه برکلی توضیح می دهد: «با وجود ناپایداری، اکسید مس یکی از بهترین مواد کاندید برای فتوسنتز مصنوعی است زیرا نسبتاً مقرون به صرفه است و ویژگی های مناسبی برای جذب نور مرئی دارد».
توما و تیمش با این انگیزه نگاهی تازه به واکنش فوتوالکتروشیمیایی انداختند. با بررسی دقیق‌تر، تیم متوجه شد که ممکن است مقصر در داخل سلول نباشد. در عوض، ممکن است چیزی در آب باشد – به معنای واقعی کلمه، الکترولیت آب مورد استفاده در سیستم‌های برگ مصنوعی.
توما گفت: "ما می دانستیم که ناپایدار است - اما از اینکه فهمیدیم واقعا چقدر ناپایدار است شگفت زده شدیم." وقتی این مطالعه را شروع کردیم، از خود پرسیدیم، شاید کلید یک دستگاه سوخت خورشیدی بهتر در ماده به خودی خود نیست، بلکه در محیط کلی واکنش، از جمله الکترولیت باشد.

انرژی خورشیدی و "طرح Z"
تیم به این نتیجه رسیدند که هیدروکسیدهای موجود در آب به خوردگی کمک می کنند. این مطالعه همچنین یک راه حل بالقوه را به همراه داشت که شامل یک سلول فوتوالکتروشیمیایی است که توسط یک لایه نقره در بالا محافظت می شود و یک اکسید طلا/آهن در پایین.
آزمایشگاه برکلی توضیح می‌دهد: «این «طرح Z» که از انتقال الکترون الهام گرفته شده در فتوسنتز طبیعی انجام می‌شود، باید «قیف» ایجاد کند که سوراخ‌هایی را از اکسید مس به «سینک» اکسید آهن/طلا می‌فرستد.
همه اینها را فهمیدید؟ خوب! برای همه جزئیات آبدار، مطالعه "بررسی و کاهش مکانیسم های تخریب در فوتوالکترودهای Cu2O برای کاهش CO2 به اتیلن" در مجله انرژی Nature را بررسی کنید.
توما و تیم او نتیجه می‌گیرند: «فتوکاتد به‌دست‌آمده یک جریان نوری پایدار برای کاهش CO2 با راندمان 60 درصدی فارادائیک برای اتیلن با تعادل هیدروژن برای ساعت‌ها نشان می‌دهد، در حالی که Cu2O خالی در عرض چند دقیقه تجزیه می‌شود».
مراقب باشید، سوخت‌های فسیلی - اتحاد نور مایع خورشید به سراغ شما می‌آید.
اگر این موضوع را در مورد تولید اتیلن متوجه شدید، این مزیت بالقوه دیگری نسبت به سیستم های الکترولیز است. در اینجا، اجازه دهید دوستان خود در BMC Biology آن را توضیح دهند:

اتیلن هیدروکربنی ساده (C2H4) یک مولکول گازی بسیار ریز است که اهمیت زیادی دارد. اتیلن علاوه بر اینکه گسترده‌ترین ترکیب آلی تولید شده در جهان است (که در تولید محصولات متعددی مانند لاستیک، پلاستیک، رنگ، مواد شوینده و اسباب‌بازی استفاده می‌شود)، یک هورمون اصلی در بیولوژی گیاهی است.
توانایی افزایش تولید اتیلن غیر فسیلی می تواند یک تغییر بازی باشد. سهامداران صنعت فسیلی روی هیدروژن، اتیلن و سایر پتروشیمی‌ها سرمایه‌گذاری کرده‌اند تا با دور شدن اقتصاد جهانی از سوخت‌های فسیلی سرپا بمانند، اما اکنون به نظر می‌رسد انرژی خورشیدی می‌تواند این مسیرها را نیز مسدود کند.
با در نظر گرفتن این موضوع، بیایید نگاهی گذرا به Liquid Sunshine Alliance بیندازیم، که سازمانی است که از تیم توما در میان دیگران حمایت می‌کند. LiSA در سال 2020 در روزهای رو به زوال دولت ترامپ، به عنوان یکی از دو پروژه ای که توسط وزارت انرژی ایالات متحده از طریق Fuels from Sunlight Energy Innovation Hub تأمین مالی می شود، تأسیس شد که به دولت اوباما باز می گردد.
LiSA توضیح می‌دهد: «اتحاد نور خورشید مایع در حال توسعه اصول علمی است که به وسیله آن می‌توان ریزمحیط‌های جفت شده بادوام را برای تولید مؤثر و انتخابی سوخت‌های مایع از نور خورشید، آب، دی‌اکسید کربن و نیتروژن به طور مشترک طراحی کرد، و این همه ماجرا نیست.
بیانیه ماموریت LiSA، زمینه سوخت های خورشیدی را به عنوان حوزه ای معرفی می کند که "تنوع، برابری و شمول، (DEI) جنبه هایی را که برای گسترش دانش در علم و مهندسی و توسعه نیروی کار علمی آینده ضروری و اساسی هستند، ارتقا می دهد، که تا حدودی است با توجه به اینکه رئیس جمهور سابق ترامپ در ماه های پایانی از نامزدی شکست خود برای انتخاب مجدد در سال 2020، تلاش کرد برنامه های DEI فدرال را متوقف کند، طعنه آمیز است.
برای ثبت، برنامه دیگری که از طریق Fuels From Sunlight در سال 2020 تأمین مالی می شود، CHASE است، مرکز رویکردهای ترکیبی در انرژی خورشیدی به سوخت مایع. CHASE مأموریتی برای توسعه فتوالکترودهای هیبریدی برای تولید سوخت است که نیمه هادی ها را برای جذب نور با کاتالیزورهای مولکولی برای تبدیل و تولید سوخت ترکیب می کند.
از نظر نقش انرژی خورشیدی در کربن زدایی سریع جهانی، به نظر می رسد که شما هنوز چیزی ندیده اید، بنابراین کلاه خود را نگه دارید.

های فن تک از شما دعوت می کند نظرات خود را در مورد این مقاله به اشتراک بگذارید