Τεχνητή φωτοσύνθεση: Πόσο κοντά βρισκόμαστε στο τέλος των ορυκτών καυσίμων;

Πέμπτη, 13 Μαϊος 2021, 09:05
Τεχνητή φωτοσύνθεση: Πόσο κοντά βρισκόμαστε στο τέλος των ορυκτών καυσίμων; Τεχνητή φωτοσύνθεση: Πόσο κοντά βρισκόμαστε στο τέλος των ορυκτών καυσίμων;

Καθώς ο πληθυσμός της γης αυξάνεται ραγδαία, την ίδια τάση ακολουθούν και οι ανάγκες των ατόμων. Τόσο οι ανεπτυγμένες όσο και οι αναπτυσσόμενες χώρες τίθενται ενώπιον δύο βασικών προβλημάτων. Το πρώτο αφορά τη διασφάλιση επαρκούς ποσότητας τροφής για όλους, ενώ το δεύτερο σχετίζεται με την κάλυψη των ενεργειακών τους αναγκών˙ παραγωγή ηλεκτρισμού και καυσίμων.

Τη στιγμή που κύρια πηγή ενέργειας αποτελούν τα ορυκτά καύσιμα, που φθίνουν διαρκώς λόγω υπερεκμετάλλευσης των φυσικών πόρων, ανακύπτει ένα βασικό ερώτημα. Πώς θα μπορέσουμε στο μέλλον να παράγουμε τόσο μεγάλα ποσά ενέργειας; Εκτός όμως της ποσότητας των ορυκτών καυσίμων, τα αέρια που εκλύονται κατά την καύση τους εντείνουν το φαινόμενο της κλιματικής αλλαγής. Άρα, κρίνεται αναγκαία η ανάπτυξη μιας βιώσιμης και φιλικής προς το περιβάλλον εναλλακτικής πηγής ενέργειας.

Κατά την αναζήτηση, λοιπόν, μιας συμφέρουσας λύσης στο πρόβλημα αυτό στρέψαμε το βλέμμα μας στη φύση. Οι διαδικασίες λειτουργίας των ζώντων οργανισμών αποτελούν πάντα πηγή έμπνευσης για την επιστημονική κοινότητα, ενώ διόλου σπάνια οι σημαντικότερες δημιουργίες είναι προϊόντα μίμησης των φυσικών διεργασιών. Προέκυψε, έτσι, μια θεωρία που τέθηκε ταχύτατα στο επίκεντρο του ενδιαφέροντος και της επιστημονικής έρευνας.

Αν μπορούσαμε να δημιουργήσουμε ένα χημικό σύστημα που θα δεσμεύει την άφθονη ηλιακή ενέργεια και να την μετατρέπει σε καύσιμα;

Και για να σας προλάβω, ναι! Αναφερόμαστε στη διαδικασία της φωτοσύνθεσης. Όπως γνωρίζουμε, τα φυτά, τα φύκη και κάποια βακτήρια διαθέτουν την ικανότητα αξιοποίησης της ηλιακής ενέργειας για την κάλυψη των τροφικών τους αναγκών. Κατά τη διεργασία αυτή προσλαμβάνουν νερό και διοξείδιο του άνθρακα από το περιβάλλον τους και σχηματίζουν γλυκόζη, έναν υδατάνθρακα που μπορούμε να θεωρήσουμε καύσιμο, ενώ παράλληλα απελευθερώνεται οξυγόνο.

Γεννήθηκε έτσι η αρχή της ονομαζόμενης τεχνητής φωτοσύνθεσης. Η πρώτη καταγεγραμμένη αναφορά της ιδέας αυτής εντοπίζεται περίπου 100 χρόνια πριν και προέρχεται από τον Ιταλό επιστήμονα Giacomo. Μάλιστα, το 1912 σε μία διάλεξη που αργότερα δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Science είχε δηλώσει πως «η φωτοχημεία θα καταστήσει την ηλιακή ενέργεια αξιοποιήσιμη με τεχνητά μέσα, που θα πρέπει να μιμηθούν τις διαδικασίες των φυτών».

Μοιάζει πράγματι σαν αρκετά απλή και προφανής λύση. Ο ήλιος παρέχει 171.000 TW ενέργεια στην επιφάνεια της γης, άρα η αξιοποίηση μόνο του 0,01% αρκεί για την κάλυψη των αναγκών μας. Ωστόσο, η ανάπτυξη ενός συστήματος μετατροπής της ενέργειας των φωτονίων σε χημική ενέργεια υπήρξε αρκετά σύνθετη, ενώ διαρκώς παρουσιάζονται νέες προσεγγίσεις.

Μία βασική διαφορά της τεχνητής με τη φυσική φωτοσύνθεση είναι το τελικό προϊόν. Το τεχνητό ανάλογο (δηλαδή η συσκευή που θα δημιουργηθεί) αποσκοπεί στην απομόνωση καυσίμων ή πολύτιμων χημικών, όπως το μοριακό υδρογόνο, το μεθάνιο και η μεθανόλη. Βασικό εμπόδιο στη διαδικασία αυτή φέρεται να είναι η αποθήκευση των ηλιακών καυσίμων, ώστε να χρησιμοποιούνται όταν είναι αναγκαία. Μια δεύτερη διαφοροποίηση συναντάται και στην αποδοτικότητα των δύο διαδικασιών. Τα πράσινα μέρη των φυτών, όπου και πραγματοποιείται η φωτοσύνθεση, μετατρέπουν σε σάκχαρα περίπου το 1% της προσπίπτουσας ηλιακής ενέργειας. Φυσικά, για να καλυφθούν οι δικές μας, ομολογουμένως υπέρογκες, ανάγκες θα πρέπει να κατασκευαστεί μια συσκευή κάπως πιο αποδοτική.

Ωστόσο τα βασικά συστατικά παρομοιάζουν σε μεγάλο βαθμό εκείνα της φυσικής διαδικασίας, ώστε να είναι λειτουργική η συσκευή. Συγκεκριμένα, αποτελείται από τρία διακριτά μέρη. Αρχικά, τα λεγόμενα φωτοηλεκτρόδια βυθίζονται στο νερό και απορροφούν ηλιακή ενέργεια ώστε να διαχωριστεί το νερό σε οξυγόνο και υδρογόνο. Δεύτερον, είναι απαραίτητη και η παρουσία καταλυτών˙ χημικές ουσίες, που επιτρέπουν σε μία χημική αντίδραση να πραγματοποιηθεί πιο γρήγορα. Με την προσθήκη του τρίτου συστατικού, δηλαδή μίας μεμβράνης υπεύθυνης για τη σταθερότητα του συστήματος, σχηματίζουμε αδρά στο μυαλό μας τη δομή ενός «φωτοηλεκτροχημικού κυττάρου», το οποίο αποκαλείται και «συνθετικό φύλλο». Η συγκεκριμένη προσέγγιση εστιάζει στην παραγωγή πράσινου υδρογόνου, το οποίο δηλαδή δεν παράγεται από ορυκτά καύσιμα. Βασικό εμπόδιο στην ευρεία χρήση του συνιστά η δυσκολία στην αποθήκευση και μεταφορά του, καθώς είναι αρκετά εύφλεκτο και έτσι απαιτείται προσεκτικός χειρισμός του.  

Σε κάθε περίπτωση, οι στρατηγικές που αναπτύσσονται πρέπει να βασίζονται σε εξαιρετικά φθηνά και άφθονα υλικά, για να είναι βιώσιμες. Παράλληλα, το «τεχνητό φύλλο» πρέπει να είναι φθηνό, ασφαλές, ανθεκτικό και αποτελεσματικό. Αν και οι συσκευές που έχουν δημιουργηθεί έως τώρα φέρουν τα τρία πρώτα χαρακτηριστικά, η αποδοτικότητα μένει να βελτιωθεί ώστε να χρησιμοποιηθούν σε ευρεία κλίμακα.

Συνεπώς, αν η ιδέα αυτή πράγματι τεθεί σε ισχύ και μπορέσουμε να απελευθερωθούμε από το ζυγό των ορυκτών καυσίμων, θα επέλθει μια νέα εποχή. Δίχως εξορύξεις και περιβαλλοντικές καταστροφές, το μέλλον της ενέργειας είναι πράσινο και ελπίζουμε να βρίσκεται κοντά.

Σας άρεσε; Μοιραστείτε το!

    Πηγές
    1. Whang, D. R., & Apaydin, D. H. (2018). Artificial photosynthesis: Learning from nature. ChemPhotoChem2(3), 148-160.
    2. Cogdell, R. J., Brotosudarmo, T. H., Gardiner, A. T., Sanchez, P. M., & Cronin, L. (2010). Artificial photosynthesis–solar fuels: current status and future prospects. Biofuels1(6), 861-876.
    3. El-Khouly, M. E., El-Mohsnawy, E., & Fukuzumi, S. (2017). Solar energy conversion: From natural to artificial photosynthesis. Journal of photochemistry and photobiology C: Photochemistry Reviews31, 36-83.
    4. Wu, Y. A., McNulty, I., Liu, C., Lau, K. C., Liu, Q., Paulikas, A. P., ... & Rajh, T. (2019). Facet-dependent active sites of a single Cu 2 O particle photocatalyst for CO 2 reduction to methanol. Nature Energy4(11), 957-968.
    5. Reece, S. Y., Hamel, J. A., Sung, K., Jarvi, T. D., Esswein, A. J., Pijpers, J. J., & Nocera, D. G. (2011). Wireless solar water splitting using silicon-based semiconductors and earth-abundant catalysts. Science334(6056), 645-648.

Βαθμολογήστε αυτό το άρθρο

(19 ψήφοι)

Περισσότερα σε αυτή την κατηγορία: