Чи можливий штучний фотосинтез. Штучний фотосинтез, дешеве джерело енергії

МОСКВА, 26 листопада — РІА Новини, Ольга Коленцова.В атмосфері концентрація вільного кисню становить 20,95%, а вуглекислого газу – 0,04%. Це співвідношення підтримується життєвими циклами представників флори та фауни. Але кількість рослин на планеті стрімко зменшується, а обсяги викидів вуглекислого газу зростають. Тому вже зараз вчені перейнялися розробкою технологій, які могли б забезпечити людей і тварин придатним для дихання повітрям у майбутньому.

Кисень існував у Всесвіті майже з його народження, з'ясували вченіСпостереження за однією з найдавніших галактик показали, що кисень з'явився у Всесвіті практично за мить після його народження, що збільшує наші шанси на виявлення позаземного розуму та життя.

Основну роль процесі фотосинтезу відіграє світло. Із сонячного випромінювання, що доходить до Землі, лише половина має довжину хвилі, з якою може "працювати" хлорофіл. Причому максимуми поглинання знаходяться у синій (близько 400 нанометрів) та червоній (близько 700 нанометрів) областях спектру.

"Цей зелений пігмент міститься в листі і захоплює сонячне світло, а набір ферментів та інших протеїнів використовує енергію, щоб розщеплювати молекули води на кисень, водень та електрони. Протони водню та електрони, що рухаються ланцюжком з білків, беруть участь у створенні енергії, необхідної для синтезу органічних сполук", - пояснює Павло Федураєв, старший науковий співробітник Лабораторії природних антиоксидантів Інституту живих систем Балтійського федерального університету ім. І. Канта.

З відповідного діапазону сонячного випромінювання більшість втрачається в процесі поглинання та внутрішніх реакцій. У середньому для фотосинтезу рослинами використовується лише 1-2% від сонячного світла, що надходить на Землю.

Щоб відтворити фотосинтез у штучних умовах, необхідно повторити два ключові етапи: збирання сонячної енергії та розщеплення молекул води. До речі, штучний фотосинтез можна використовувати для виробництва як кисню, так і водню. У другому випадку людство буде надійно забезпечене екологічним, ефективним та недорогим паливом.

Поки що дослідження штучного фотосинтезу знаходяться на стадії лабораторних розробок. Напівпровідники та живі бактерії поміщають у фотосинтетичну біогібридну систему (штучний лист), на яку впливають сонячним світлом. Напівпровідники збирають його енергію, генеруючи електрони, необхідні для того, щоб відбулася реакція у розчині води та вуглекислого газу. Бактерія використовує електрони для перетворення молекули вуглекислого газу, сприяючи утворенню водню (H2), метану (CH4), етанолу (C2H5OH). А вода в цей же час окислюється на поверхні іншого напівпровідника, у процесі чого виділяється кисень.

Але розщепити молекулу води не так просто, це вимагає близько двох з половиною електронвольт енергії. Отже, потрібний каталізатор, який "підштовхне" хімічну реакцію.

Деякі дослідники, які займаються штучним фотосинтезом, імітують природний процес без залучення живих організмів. За великим рахунком, ці розробки зводяться до створення принципово нового каталізатора, оскільки існуючі (засновані на магнії, титані, кобальті, рутенії) досить токсичні і мають низький коефіцієнт корисної дії.

Є розробки з штучного фотосинтезу, в яких використовуються живі організми (поки що лише бактерії та окремо взяті клітини). Подібні дослідження ґрунтуються на отриманні інформації про фотосинтез за допомогою ціанобактерій. Спочатку їм у геном вставляється послідовність нуклеотидів, що містить інструкції щодо синтезу білкових міток. Далі живі організми витягуються разом із мітками та проводиться дослідження отриманої фотосистеми (бактерій, які переробляють білки). Вчені стверджують, що ця інформація допоможе створити штучні аналоги фотосинтезу.

, супрамолекулярна хімія , хлорофіл Визначення Процес конверсії світлової енергії в хімічну з використанням синтетичних супрамолекулярних нанорозмірних систем .
Опис

Для сталого розвитку людству до 2050 року необхідно виробляти 10 ТВт чистої енергії, не пов'язаної з виділенням парникових газів. Найперспективніший спосіб отримання «чистої енергії» – використання сонячного випромінювання. Існує три основні способи застосування наноструктур для конверсії сонячної енергії: 1) штучний фотосинтез із використанням донорно-акцепторних супрамолекулярних ансамблів та кластерів; 2) фотокаталітичне виробництво водню; 3) сонячні батареї на основі наноструктурних напівпровідників.

Штучна фотосистема для перетворення світлової енергії на хімічну повинна, як і природна, містити три основні компоненти – фотоантену, реакційний центр та систему зберігання енергії. У природних фотосистемах параметри цих компонентів – просторові, електронні, кінетичні та термодинамічні – оптимізовані для досягнення максимального квантового виходу. У штучних фотосистемах, крім високого квантового виходу, треба досягти якомога більшої частки конверсії світлової енергії у хімічну. При оформленні кожного з цих компонентів вирішують два основні питання: 1) з яких речовин – хромофорів, донорів, акцепторів – вони повинні складатися; 2) як зібрати ці речовини в єдину діючу систему? Фактично необхідно вибрати «будівельні блоки» і придумати спосіб їх з'єднання між собою.

Найпростіше це завдання вирішується для штучних фотоантен. Як хромофори вибирають металопорфірини – тетрапірольні комплекси металів, а також їх похідні.Найбільш популярні порфірини з іонами цинку, магнію та платинових металів, а також вільні порфірини, в яких центральний атом металу відсутній. Порфіриниз'єднують в єдину фотоантену методами супрамолекулярної хімії, тобто за допомогою нековалентних взаємодій або за допомогою ковалентних зв'язків (рис. 1). Варіюючи просторову структуру антени і склад бічних ланцюгів порфіринів, можна керувати потоком енергії антеною.

Сучасний стан проблеми штучного фотосинтезу такий, що принципово вирішено питання синтезу окремих вузлів фотосистеми (фотоантени, реакційного центру та системи зберігання енергії) та їх з'єднання один з одним. Завдання тепер полягає в тому, щоб покращувати характеристики цих систем, зберігши їхню основну перевагу перед природними – простоту організації.

Прогрес у сфері дизайну штучних фотосистем взаємно впливає на роботи в галузі молекулярної оптоелектроніки.

Єрьомін Вадим Володимирович, д.ф.-м.н.

Посилання

Kamat Prashant V. Постанова Clean Energy Demand: Nanostructure Architectures for Solar Energy //J. Phys. Chem. C. – v. 111, 2007 – p. 2834-2860.
Gust D., Moore T. A., Moore A. L. Mimicking Photosynthetic Solar Energy Transduction // Acc. Chem. Res. - 2001. v. 34 - p. 40-48.
Martin N., Sanchez L., Herranz M.A. , Islascas B., Guldi D.M. Electronic Communication in Tetrathiafulvalene (TTF)/C60 Systems: Toward Molecular Solar Energy Conversion Materials?// Acc. Chem. Res. – 2007, v. 40 - P. 1015-1024.

Ілюстрації
Теги Розділи Елементи сонячної енергетики

Енциклопедичний словник нанотехнологій - Роснано. 2010 .

Дивитись що таке "штучний фотосинтез" в інших словниках:

Штучний фотосинтез спроби відтворення природного процесу фотосинтезу. При цьому під впливом сонячного світла вода та діоксид вуглецю перетворюються на молекулярний кисень і глюкозу. Іноді до штучного фотосинтезу… Вікіпедія

Листя рослини … Вікіпедія

Термін фотосинтез Термін англійською photosynthesis Синоніми Абревіатури Пов'язані терміни бактеріохлорофіл, штучний фотосинтез, супрамолекулярна фотохімія, хлорофіл Визначення утворення зеленими рослинами та деякими бактеріями…

Містить деякі з найвидатніших поточних подій, досягнень та інновацій у різних галузях сучасної технології. Нові технології це ті технічні нововведення, які становлять прогресивні зміни в рамках області.

Фотоелектрохімічні осередки різновид сонячних батарей призначені для перетворення світлового випромінювання (включаючи видиме світло) на електричну енергію. Складаються з напівпровідникового фотоанода та металевого катода, … Вікіпедія

Термін наноелектроніка Термін англійською nanoelectronics Синоніми Абревіатури Пов'язані терміни штучний фотосинтез, наноалмаз Визначення галузь науки і техніки, пов'язана з розробкою архітектур та технологій виробництва. Енциклопедичний словник нанотехнологій

Термін супрамолекулярна фотохімія Термін англійською supramolecular photochemistry Синоніми Абревіатури Пов'язані терміни бактеріохлорофіл, штучний фотосинтез, супрамолекулярна хімія, хлорофіл Визначення Розділ фотохімії, що вивчає… Енциклопедичний словник нанотехнологій

Термін супрамолекулярна хімія Термін англійською supramolecular chemistry Синоніми Абревіатури Пов'язані терміни біоміметика, ван дер ваальсова взаємодія, водневий зв'язок, гідрофобна взаємодія, донорна акцепторна взаємодія, … Енциклопедичний словник нанотехнологій

Термін хлорофіл Термін англійською chlorophyll Синоніми Абревіатури Chl Пов'язані терміни бактеріохлорофіл, штучний фотосинтез, клітина, супрамолекулярна фотохімія, хелати Визначення Хлорофіл – зелений пігмент рослин, водоростей та… Енциклопедичний словник нанотехнологій

Термін біоміметика Термін англійською biomimetics Синоніми біоніка Абревіатури Пов'язані терміни антитіло, біоінженерія, біоміметичні наноматеріали, ДНК, штучний фотосинтез, РНК, супрамолекулярна хімія, тканинна інженерія Визначення … Енциклопедичний словник нанотехнологій

У той час як сонячні панелі обмежені теоретичними межами своєї ефективності, десь є місцем для штучного фотосинтезу, давно забутого братика сонячних панелей.
Цілком ймовірно, що люди продовжать спалювати рідке та тверде паливо, яке горить, тоді як сонячні панелі зможуть лише забезпечити нас електрикою.

У 1912 році в Science була опублікована стаття, в якій професор Джакомо Чамічан писав наступне: «Вугілля пропонує сонячну енергію людству в її концентрованій формі, але вугілля вичерпаємо. Невже викопна сонячна енергія – єдине, що може використовувати сучасне життя та цивілізація?». І пізніше, у цій статті, він додає:
«Скляні будівлі будуть усюди; всередині них протікатимуть фотохімічні процеси, які досі були секретом рослин, що охороняються, але які будуть освоюватися людською промисловістю, вона дізнається, як змусити їх давати ще більш рясні плоди, ніж природа, оскільки природа нікуди не поспішає, а людство навпаки. Життя і цивілізація триватимуть доти, доки світить сонце».
Зміна клімату дає новий імпульс дослідженням штучного фотосинтезу. Рослини роблять дещо корисне: вловлюють вуглекислий газ. Більшість кліматичних моделей, які дозволяють нам укластися в ліміт Паризької угоди (2 градуси за Цельсієм), вимагають великої кількості біоенергії з уловлюванням та зберіганням вуглецю. Це технологія негативних викидів, коли рослини захоплюють вуглекислий газ, перетворюються на біопаливо і потім згоряють. Вуглець уловлюється та секвеструється під землею.
Штучний фотосинтез може бути вуглець-негативним джерелом рідкого палива на зразок етанолу. Захисники екології найчастіше звертаються до «водневої економіки» як до вирішення проблеми зниження вуглецевих викидів. Замість того, щоб замінювати всю нашу інфраструктуру - покладена на тверде та рідке паливо - ми просто замінюємо паливо. Паливо на зразок водню або етанолу можна виробляти за допомогою сонячної енергії, як у штучному фотосинтезі, так що ми продовжимо використовувати рідке паливо з меншими збитками навколишнього середовища. Загальна електрифікація може бути складнішим процесом, ніж просто перехід від бензину до етанолу. Штучний фотосинтез безперечно варто досліджувати. І за останні роки було зроблено великі кроки. Потужні інвестиції від урядових та благодійних фондів вливаються у сонячне паливо. Досліджується кілька різних фотохімічних процесів, деякі з яких вже мають потенціал бути ефективнішими, ніж навіть рослини.
У вересні 2017 року Національна лабораторія Лоуренса в Берклі описала новий процес, який може перетворювати CO2 на етанол, який потім можна використовувати як паливо, та етилен, який потрібен для виробництва поліетиленового пластику. Це стало першою демонстрацією успішного перетворення діоксиду вуглецю в паливо та прекурсори пластику.
У нещодавно опублікованій роботі в Nature Catalysis обговорювалася техніка, коли фотоелектричні панелі підключаються до пристрою, що електролізує діоксид вуглецю. Потім анаеробний мікроб перетворює діоксид вуглецю та воду, користуючись електричною енергією, на бутанол.
Вони зазначили, що їхня здатність перетворювати електроенергію на бажані продукти була ефективна майже на 100%, а система загалом змогла досягти 8% ефективності перетворення сонячного світла на паливо. Може здатися, що це невелика цифра, але 20% - це чудово для сонячних панелей, що безпосередньо перетворюють сонячне світло на електрику; навіть найпродуктивніші рослини, такі як цукрова тростина та просо, набирають не більше 6% ефективності. Тобто це можна порівняти з біопаливом, яке нині використовуються, на кшталт кукурудзяного біоетанолу, оскільки кукурудза менш ефективна у перетворенні сонячного світла на накопичену енергію.
Інші форми штучного фотосинтезу зосереджено водню як можливому паливі. Дослідники з Гарварду нещодавно представили вражаючу версію «біонічного листа», який може перетворювати сонячну енергію на водень. Однією з головних його переваг є те, що його ефективність швидко зростає, якщо дати йому «подихати» чистим вуглекислим газом. Якщо ми збираємося жити в майбутньому, в якому величезні обсяги діоксиду вуглецю витягуються з атмосфери, тепер у нас буде дуже непогане застосування. Хоча останнім часом люди недолюблюють цю ідею (термодинаміка використання електрики для розщеплення води на водень та кисень не завжди ідеальна), все ще проводяться дослідження на тему паливних осередків для автомобілів та водню для обігріву будинків, особливо в Японії.
Одна з проблем, пов'язаних з будь-якими зусиллями створення штучного фотосинтезу, полягає в тому, що чим більше кроків у вас буде в процесі конверсії, тим більше енергії буде втрачено на цьому шляху. Використання електрифікованих приладів з енергією, що виробляється безпосередньо від сонця, буде набагато ефективнішим, ніж будь-яка схема перетворення електрики та діоксиду вуглецю в паливо, яке ви потім спалюватимете для відновлення частки електричного введення.
Крім того, з екологічної та практичної точки зору, будівництво мільярдів штучних рослин може виявитися значно менш здійсненним, ніж посів насіння для кількох добре вибраних видів біопалива. З іншого боку, ці рослини часто вимагають хорошого ґрунту, який швидко погіршується через сільськогосподарський тиск. Біопаливо вже запідозрили у використанні землі, яка могла б нагодувати населення, що росте. Плюс штучного фотосинтезу в тому, що ви можете побачити, як ці рослини процвітають у пустелі або навіть в океані.
Як це часто буває, ми черпаємо натхнення у природи - але зрозуміти її, підкорити і навіть покращити представляє для нас проблему.

Фотосинтез – це перетворення енергії сета на хімічну енергію. Під впливом електромагнітного випромінювання видимого спектру вода і діоксид вуглецю перетворюються на молекулярний кисень і глюкозу, так само відбувається поділ води на водень та кисень.

Тим самим штучний фотосинтез має два напрямки, завдання:

Перетворення вуглекислого газу з атмосфери (боротьба з парниковим ефектом, забрудненнями та як побічний продукт — паливо та інші сполуки).
Одержання води водню, який буде використаний для отримання електроенергії і як паливо.

Штучний фотосинтез став можливим завдяки використанню штучних нанорозмірних супрамолекулярних систем.

Перетворення вуглекислого газу

Принцип роботи системи штучного фотосинтезу передбачає перетворення атмосферного вуглекислого газу органічні сполуки з допомогою енергії світла.

Отримані хімічні утворення надалі використовуватимуться для виробництва палива, різних видів пластмас та фармацевтичних препаратів. Окрім енергії сонця, хімічна реакція не потребує додаткових джерел живлення.

Технологія штучного фотосинтезу дозволяє перетворити вуглекислий газ метанол. Інноваційна система приводиться в дію спеціальними бактеріями та енергією сонячного світла. Ця розробка дозволить людству скоротити обсяги використання викопних видів енергоносіїв – вугілля, нафти та природного газу.

Технологія перетворення CO2 у промислових масштабах повинна змінити багато негативних з екологічної точки зору процесів на планеті. За цим напрямом багато фахівців бачать спосіб боротьби з глобальним потеплінням.

Варіант встановлення штучного фотосинтезу

У процесі природного фотосинтезу листя за допомогою енергії сонця переробляють двоокис вуглецю, що реагує з водою та формує біомасу рослини. У системі штучного фотосинтезу, нанопроводу з кремнію та двоокису титану одержують сонячну енергію та доставляють електрони бактеріям Sporomusa ovata, завдяки чому вуглекислий газ переробляється та вступає в реакцію з водою, даючи на виході різні хімічні речовини, у тому числі ацетати.

Генетично модифіковані бактерії Escherichia coli здатні трансформувати ацетати та оцтову кислоту в складні органічні полімери, які є «стандартними блоками» для отримання полімерів РНО, ізопрену та біорозкладного n-бутанолу. Отримані сполуки входять до складу найпоширеніших хімічних продуктів – від лакофарбових матеріалів до антибіотиків.

Штучний лист

Зусиллями англійського вченого Джуліана Мелкіоррі було розроблено синтетичний лист, здатний виконувати функції фотосинтезу. Штучний зелений листок використовує хлоропласти, отримані зі звичайних рослин. Згідно з технологією, хлоропласти поміщені в білкове середовище, завдяки якому вони рівномірно розподіляються по товщі рідини і не коагулюють. Передбачається, що ця розробка використовуватиметься у умовах для виробництва кисню. Ймовірно, що синтетичний лист знайде застосування й у сфері космічних досліджень.

Подібний симбіоз напівпровідникових елементів з живими організмами може стати фундаментом для подальшої розробки програмованої системи фотосинтезу, яка вироблятиме широкий ряд органічних речовин, використовуючи для цього лише сонячну енергію. Якщо майбутня система коректно працюватиме, людство зможе створювати пластмасу і пальне буквально з повітря.

Енергія з фотосинтезу

Як і природні перетворювачі сонячної енергії, штучні фотосистеми повинні складатися з таких компонентів:

Уловлювач сонячного випромінювання,
Центр проведення реакцій,
Засіб зберігання одержаної енергії.

Найважливішим завданням, яке вирішують у лабораторіях, є підвищення ККД штучного фотосинтезу.Тому значна частина роботи зводиться до пошуку оптимальних матеріалів для створення кожного з перерахованих вище блоків.

Систему штучного фотосинтезу з високим ККД та нанорозмірами чекають у робототехніці, зокрема у сфері створення нанороботів, де питання забезпечення енергією одне з ключових.

Компактні установки для отримання енергії з фотосинтезу імовірно замінять сонячні батареї та вітряки на будинках з нульовим споживанням, а також мають перспективи для інтеграції до системи розумного будинку, що спеціалізовані на енергетичне самозабезпечення.