Дослідникам вдалося відтворити ключовий етап реакції фотосинтезу в лабораторних умовах. Тим самим вчені підійшли на крок ближче до створення доступного палива за допомогою штучного фотосинтезу з води і сонячного світла і співвішення існуючого.
Перш ніж ми зануримося в світ штучного фотосинтезу, важливо згадати, що є з ним певні асоціації - а саме, зелений колір, колір хлорофілу. У медіа він закріпився як колір екології, особливо після 2017-го року, але не всі методи під егідою зеленого кольору так вже нешкідливі для навколишнього середовища. Яскравий приклад:осередки сонячних батарей і лопаті вітряків необхідно утилізувати вже через пару десятків років експлуатації. По-справжньому екологічне енергетичне забезпечення могли б дати зелені рослини, які і є первинними накопичувачами сонячної енергії.
Як працює фотосинтез
Як би не розвивалися світові технології, ми досі не вміємо в промислових масштабах відтворювати фотосинтез у штучних умовах. Цей процес є одним з основних у життєдіяльності зелених рослин. Працює він так:вуглекислий газ і вода розщеплюються в листях, вірніше, в хлоропластах - клітинних органелах, що містять зелений пігмент хлорофіл. Будова хлорофілу близько до гему - небілкової частини гемоглобіну.
Хлорофілл вирішує два важливих завдання, особливо для сучасної екології:
- розщеплює вуглекислий газ, допомагаючи таким чином гальмувати глобальне потепління;
- дозволяє отримувати водень, що є базовим елементом для найбільш екологічно чистих видів палива.
Искуссвенный фотосинтез дозволить створити альтернативне паливо.
До того, як ми обговоримо штучний фотосинтез, поговоримо про природне, про те, як він працює. Так звані вищі рослини, бактерії та водорості переробляють сонячну енергію у вуглеводи та вуглеводні. Але рослини не зможуть допомогти великомасштабному виробництву палива на основі сонячної енергії, так як задіють складний ланцюжок біохімічних реакцій, що дозволяють перетворити CO2 в кінцевий продукт. ККД рослин для масової промисловості занадто низький, щоб вони могли грати роль серйозного енергетичного ресурсу. Ефективність рослин як ресурсу зазвичай залежить не тільки від освітленості, а й від інших екологічних факторів, у тому числі, від доступності CO2, води та поживних речовин.
Існує чотири етапи фотосинтезу:
- Збір світла. На цьому етапі фотосинтезу відбувається поглинання і накопичення електромагнітного випромінювання антенними молекулами (насамперед хлорофіллом, але також і каротином). Ці молекули зосереджені в білкових комплексах або органел і служать для концентрації захопленої енергії в «реакційних центрах».
- Поділ зарядів. У реакційному центрі відбувається поділ зарядів: молекула хлорофілу випускає негативно заряджену частинку - електрон - на місці електрону залишається позитивно заряджена «дірка». Таким чином, енергія сонячного світла застосовується для розмежування позитивних і негативних зарядів.
Штучний фотосинтез в лабораторних умовах реальний, але не варто забувати про те, що він ще не в масовому виробництві.
- Розщеплення води. На третьому етапі фотосинтезу збирається безліч позитивних зарядів, які йдуть на розщеплення молекул води: виходять іони водню і кисень. Розщеплення води відбувається в окремому відсіку клітини, а не там, де проходить етап поділу зарядів; на достатньому видаленні, щоб запобігти втраті заряду при надходженні нового фотону, але досить близько, щоб позитивний заряд ефективно накопичувався і потім використовувався для каталізу.
- Синтез палива. Електрони, отримані при поділі зарядів, підхоплюються цитохромом b6f і маленькими мобільними переносниками і транспортуються в ще один білковий комплекс, фотосистему I. У фотосистему I надходить додаткова енергія, яку також приносять сонячні фотони, і з ними також йде хімічна реакція, в результаті якої виходять вуглеводні.
Штучний фотосинтез у лабораторних умовах
Процес штучного фотосинтезу in vitro, без участі листя, був вперше здійснений в 1972 році в Токійському університеті. Тоді Кенічі Хонда і його аспірант Акіра Фудзісіма розповіли про те, що змогли змоделювати фотосинтез, подаючи світло на електрод з діоксиду титану, занурений у воду. Фотосинтез в лабораторних умовах був отриманий так: електрони під дією світла покидали метал, залишаючи на своєму місці позитивно заряджені дірки, куди потім захоплювалися електрони з навколишньої води. Хонда і Фудзісіма показали, що таким чином отримання кисню каталізувалося на фотоаноді, а вільний водень накопичувався на платиновому катоді. Так вперше в історії вдалося розкласти воду на складові за допомогою світлочутливого елемента.
Вчені досі намагаються поставити на потік процес штучного фотосинтезу.
Друга спроба відтворити штучний фотосинтез відбулася в 1998 році Джон Тернер і Оскар Хасельов з Національної лабораторії відновлюваної енергетики зі штату Колорадо розробили перший «штучний лист»: інтегрований фотоелектричний пристрій, що дозволяє розщеплювати воду, отримуючи на вхід в якості енергії світло і нічого більше. В результаті ККД рослинпрі виробництві водню досяг цілих 12,4%, але матеріали для підтримки реакції виявилися надто дорогими: до складу пристрою входив напівпровідник на основі галлій-індієвого фосфіду, а також платина як каталізатор.