Att förse världens energibehov med ljus och vatten

Medan forskare och teknologer runt om i världen försöker hitta renare energikällor, vänder sig vissa kemister till naturens egen eleganta lösning: fotosyntes. I fotosyntesen använder gröna växter energin i solljus för att bryta ner vatten och koldioxid. Genom att manipulera elektroner och väte, syre och kolatomer i en serie komplexa kemiska reaktioner producerar processen i slutändan cellulosa och lignin som bildar växtens struktur, samt lagrad energi i form av socker. Att förstå hur den här processen fungerar, tänker Daniel Nocera , professor i kemi vid MIT, kan leda till sätt att producera och lagra solenergi i former som är praktiska för att driva bilar och tillhandahålla elektricitet även när solen inte skiner.

Frigör energi: Daniel Nocera, professor i kemi vid MIT, säger att grundforskning om fotosyntesens kemiska processer kan leda till ett samhälle som drivs av vatten och solljus.

Vad som behövs är genombrott i vår förståelse av de grundläggande kemiska processerna som gör fotosyntes möjlig, enligt Nocera, en erkänd fotosyntesexpert. Han studerar principerna bakom fotosyntes och tillämpar det han lärt sig för att göra katalysatorer som använder solenergi för att skapa vätgas för bränsleceller. Noceras mål: en värld som drivs av ljus och vatten.

Teknikgranskning : Vilken är den största utmaningen med energi just nu?

Daniel Nocera : Den verkliga utmaningen med energi är skalningsproblemet. Vi kommer att ha det här enorma energibehovet, och när du börjar titta på alla siffror finns det bara en tillgång som har skala, och det är solen. Men det är fortfarande ett forskningsproblem. Teknikerna följer alla linjer; då finns det en upptäckt och en ny linje som är bättre. Vi är på en mycket förutsägbar linje nu i solenergi. Det mesta du hör om är inkrementella framsteg.

BARN : Du studerar fotosyntes för att få idéer om hur man omvandlar solljus till ett kemiskt bränsle – väte – för användning när solen inte skiner eller för att driva bränslecellsfordon.

DN : Du kan använda elen direkt när solen är ute, på platser som har sol. [Men] du behöver lagring. Det finns absolut ingen väg runt det. Jag destillerar ner essensen av fotosyntes för att kunna använda den.

BARN : Varför är fotosyntes attraktiv för att hitta en källa till ren energi?

DN : [Fotosyntes] gör tre saker. Den fångar solljus och [för det andra] omvandlar den till en trådlös ström – bladen surrar av elektricitet. Och för det tredje gör den lagring. Den lagrar den omvandlade ljusenergin i kemisk energi. Och den använder den kemiska energin för sin livsprocess, och sedan lagrar den lite.

Det visar sig [att] fotosyntes är en av de mest effektiva maskinerna i världen för energiomvandling. Men det är inte bra för att lagra energi eftersom det inte är vad [en anläggning] byggdes för att göra. Den byggdes för att leva och växa och fortplanta sig.

Och så det är det tillvägagångssätt vi tar. Kan vi nu göra det som bladet gör på konstgjord väg, vilket är infångning, omvandling och lagring i kemiska bindningar? Men min enhet behöver inte leva: den kan ta mycket mer av den energin och lägga den i kemiska bindningar.

BARN : Och du har haft en viss framgång med att använda det du har lärt dig.

DN : Vi gjorde en förening som gör väte med hjälp av ljus. Vi har något som du kan lösa upp i lösning, lysa på det och väte bubblar upp. Det gjorde det inte så effektivt. Men det var ett stort framsteg eftersom det hade många nya koncept för att visa hur man kan använda solljus för att göra väte.

BARN : Vilka är några av de forskningsproblem du tar upp som du hoppas kan leda till ett stort steg framåt inom solenergi?

DN : Något vi verkligen har arbetat hårt med är att [förstå] designprinciperna som fotosyntesen fungerar utifrån.

En är att när [fotosyntes] delar vatten till väte och syre, använder den mer än en elektron. Den här strömmen som går går en elektron i taget. Men sedan lagrar [växten] dem och använder fyra elektroner samtidigt. Vi vet inte hur man gör multielektronreaktioner särskilt bra. Vi har inte ens teorier för att beskriva dem.

Och sedan måste du hantera protoner - och det är vad biologi gör riktigt bra. Den tar elektrisk ström och sedan omvandlar den den till en kemisk ström, och det som leder den kemiska strömmen är protoner. Och sedan skickar den atomer. Vad en solcell gör är att skicka elektroner till en punkt. Fotosyntes skickar faktiskt inte en elektron utan en atom. Och det är ännu tuffare att göra eftersom atomer är så mycket tyngre än elektroner. Så vi har kommit ner djupt i förståelsen, hur flyttar man atomer [som väteatomer] runt från punkt A till B så att de kan gå ihop med varandra? Hur sätter man ihop dem så att de kan förenas?

BARN : Du har skrivit att kemi sannolikt kommer att spela den mest centrala rollen av alla vetenskaper för att ta itu med energiproblem. Hur skulle du sammanfatta kemins roll?

DN : För spelväxlare är det väldigt enkelt. Det finns tre.

Gör solceller billigt, vilket är mycket kemi. Det uppfinner nya material för att göra PV billigt.

Byt ut ädelmetaller – sådant som platina – med rikligt med metaller. För det finns inte tillräckligt med saker. När du pratar om så mycket skala, bör du använda saker som järn och mangan. Du bör titta på din bok som säger vilka som är de vanligaste elementen på jordens yta.

BARN : Och det här är för bränsleceller, och även för solceller.

DN : Solceller – allt. Det är den verkliga teknikfrågan som du måste tänka på. Inte något som är så bra, det är 100 procent effektivt – och förresten, jag använder rutenium. Jag kan använda rutenium nu för att lära mig en princip, men rutenium ligger under järn [i det periodiska systemet]. Så jag borde ta reda på, hur kan jag ta allt jag lär mig med rutenium och applicera det på järn?

BARN : Och den tredje game changer?

DN : Dela vatten med ljus. Du gör de tre sakerna och du har en helt ny energiekonomi. Det är svårt för mig att säga exakt hur den tekniken kommer att se ut, eftersom vetenskapen saknas. Men i början av 1900-talet byggde vi ett helt samhälle baserat på ett nytt energisystem. Och jag tror, ​​när solel är på plats, med hjälp av biobränsle, med lite hjälp från vind, kommer vi att uppfinna vårt samhälle igen från en ny energikälla.

Dölj