Як отримати паливо "з повітря"? За допомогою штучного листя

Сонце виробляє більше, ніж достатньо енергії для людської діяльності, але ми досі не навчилися її використовувати, зазначає Ервін Рейснер, професор енергетики та сталого розвитку в Кембриджському університеті.

Він очолює групу дослідників, які намагаються навчитися акумулювати більше цієї безкоштовної енергії.

Попри те, що сонячні батареї останніми роками досягли значних успіхів і стають дешевшими та ефективнішими, вони здатні забезпечувати лише електроенергією, а не рідким паливом, яке можна зберігати і яке досі має великий попит.

"Якщо ви подивитесь на глобальний енергетичний портфель і на те, які є потреби, електроенергія покриває лише 20-25%. Отже, коли ми покриємо ці 25%, що робити далі?" - запитує професор Рейснер.

Його відповідь полягає в тому, щоб поглянути на природу: "Рослини - величезне натхнення, оскільки за мільйони років вони навчились використовувати сонячне світло і накопичувати енергію в енергоносіях.

"Я справді вірю, що штучний фотосинтез буде частиною цього енергетичного портфеля протягом наступних двох десятиліть", - каже він.

Коли в рослинах відбувається процес фотосинтезу, вони поглинають воду і вуглекислий газ і використовують сонячне світло, щоб перетворити цю сировину на вуглеводи, необхідні для росту.

"Ми хочемо відтворити це, але насправді ми не хочемо отримувати вуглеводи, тому що паливо з них не дуже добре, тому замість того, щоб виробляти вуглеводи, ми намагаємось зробити щось більш придатне для використання", - говорить професор Рейснер.

Ще одна проблема полягає у тому, що рослини насправді не дуже добре опанували фотосинтез, адже перетворюють на паливо лише близько одного-двох відсотків сонячної енергії. Міністерство енергетики США дійшло висновку, що для того, щоб штучний фотосинтез був економічно вигідним, ефективність повинна становити 5-10%.

Команда професора Рейснера працювала над низкою підходів - зокрема над системою, що імітує природний фотосинтез, використовуючи ферменти для розщеплення води та створення водню для палива.

Однак її ефективність все ще занизька, а водень у газоподібному стані важко зберігати.

Можливо, більш перспективною у довгостроковій перспективі є інша нещодавня розробка його команди - невеликий пристрій, який перетворює сонячне світло, вуглекислий газ та воду на кисень та мурашину кислоту, рідке паливо, що має високу питому енергоємність.

Пристрій складається з панелі, розміщеної у ємності з водою та вуглекислим газом. Під сонячним світлом панель вивільняє електрони, які поєднуються з вуглекислим газом і протонами у воді, утворюючи мурашину кислоту.

"Ці системи схожі на панелі або аркуші. Це дуже тонкий пристрій - майже як аркуш паперу", - говорить професор Рейснер.

Мабуть, найбільший прогрес цього пристрою полягає у тому, що він автономний. Йому не потрібні ані зовнішні джерела живлення, ані додаткові каталізатори.

Попри труднощі, штучний фотосинтез залучає великі інвестиції. У США Міністерство енергетики нещодавно оголосило про фінансування у розмірі 100 мільйонів доларів протягом п'яти років.

Гроші спрямовуються на два окремих проєкти: Center for Hybrid Approaches in Solar Energy to Liquid Fuels (Chase) та Liquid Sunlight Alliance (Ліза).

Проєкт Chase, очолюваний Університетом Північної Кароліни в Чапел-Гілл (UNC), працює над практичними застосунками, подібними до пристрою, розробленому в Кембриджі, та розробляє системи на кшталт сонячних панелей, які використовують напівпровідники для поглинання світла, а потім за допомогою різних каталізаторів перетворюють вуглекислий газ на паливо.

Особливим напрямком досліджень, як зазначає заступниця директора Chase професорка Джилліан Демпсі, є концепція каскадних каталізаторів. Для того, щоб перетворити вуглекислий газ на придатне для використання паливо, необхідно декілька хімічних реакцій - а каталізатори можуть одночасно робити лише одну.

"Перший робить перший крок, а потім передає свій продукт наступному каталізатору", - каже вона.

Проєкт Lisa застосовує більш теоретичний підхід, спрямований на вдосконалення кожного етапу та компонента штучного фотосинтезу. Потенційні каталізатори та процеси перед випробуванням моделюють на комп'ютері.

Погана новина полягає в тому, що ми навряд чи найближчим часом побачимо поля, заповнені панелями фотосинтезу. За словами професорки Демпсі, досі існують суттєві камені спотикання.

Об'єднати всі технології в одне ціле - це проблема.

"Існують неймовірні наукові досягнення з точки зору акумуляції світла, з точки зору каталізу, який створює паливо, і з точки зору систем управління, - каже вона.

"Але інтеграція цих окремих компонентів у систему, здатну до штучного фотосинтезу, є величезним викликом", - додає вчена.

Також важко забезпечити, щоб реакції продукували комерційно вигідне паливо, адже багато каталізаторів, які можуть цього досягти, занадто дорогі або занадто неефективні для широкомасштабного використання.

Нарешті, каже професорка Демпсі, є проблема довговічності: "Коли ви маєте справу з постійним випромінюванням (сонячним світлом. - Ред.), яке може викликати реакцію, воно може бути дуже шкідливим та руйнівним".

У результаті штучний фотосинтез досі не може виробляти рідке паливо достатньо дешево, щоб конкурувати з викопним паливом.

"Але динаміка може змінюватися дуже швидко", - говорить професор Рейснер.

"Ціна на нафту може змінитися, оподаткування може змінитися. І коли почнуть відбуватися зміни, в якийсь момент у майбутньому ціна штучного фотосинтезу знизиться, а ціна викопного палива зросте. Питання в тому, коли ці лінії перетнуться", - вважає вчений.

"Ще 10 років тому навіть найоптимістичніші прогнози щодо вартості фотоелектричної електроенергії не відповідали тому, що є зараз. Вартість знизилася на 85% - це неймовірно. Як тільки запрацює ефект масштабу, багато чого стане можливим. Тому я маю великий оптимізм", - підсумовує він.

Хочете отримувати найважливіші новини в месенджер? Підписуйтеся на наш Telegram або Viber!