«Солнце производит более чем достаточно энергии для человеческой деятельности, но мы все еще не можем уловить ее достаточно», — отмечает Эрвин Рейснер, профессор энергетики и устойчивого развития Кембриджского университета.
Он возглавляет команду исследователей, пытающихся получить больше этой свободной энергии.
Хотя солнечные панели в последние годы добились больших успехов, став дешевле и эффективнее, они просто вырабатывают электричество, а не жидкое топливо для хранения, которое все еще пользуется большим спросом.
«Если вы посмотрите на глобальный энергетический портфель и на то, что вам нужно, электричество покрывает только 20-25%. Итак, вопрос в том, когда мы покрываем эти 25%, что нам делать дальше?» — спрашивает профессор Рейснер.
Его ответ — смотреть на природу: «Растения — огромное вдохновение, потому что за миллионы лет они научились поглощать солнечный свет и сохранять энергию в энергоносителях. Я действительно верю, что искусственный фотосинтез станет частью этого энергетического портфеля в течение следующих двух десятилетий».
Когда растения фотосинтезируют, они поглощают воду и углекислый газ и используют солнечный свет для преобразования этого сырья в углеводы, необходимые им для роста.
«Мы хотим повторить это, но на самом деле мы не хотим производить углеводы, потому что они являются паршивым топливом, поэтому вместо того, чтобы производить углеводы, мы пытаемся сделать что-то, что можно было бы более легко использовать», — говорит профессор Рейснер.
Дополнительная проблема заключается в том, что растения на самом деле не очень хороши в фотосинтезе, преобразуя только около одного или двух процентов солнечной энергии в топливо. Министерство энергетики США пришло к выводу, что для того, чтобы искусственный фотосинтез был экономически жизнеспособным, эффективность должна возрасти до 5-10%.
Команда профессора Райснера работала над рядом подходов, включая систему, имитирующую естественный фотосинтез, с использованием ферментов для расщепления воды и создания водорода в качестве топлива. Однако эффективность все еще низкая, а водород, как газ, трудно хранить. Возможно, более многообещающим в долгосрочной перспективе является недавняя разработка его командой небольшого устройства, которое преобразует солнечный свет, углекислый газ и воду в кислород и муравьиную кислоту, жидкое топливо с высокой плотностью энергии.
Устройство содержит панель, которая находится в ванне с водой и углекислым газом. Под солнечным светом панель высвобождает электроны, которые соединяются с углекислым газом и протонами в воде, образуя муравьиную кислоту.
«Эти системы подобны панелям или листам. Это очень тонкое устройство — вы можете думать о нем как о листе бумаги», — говорит профессор Рейснер.
Возможно, самый большой шаг вперед с устройством — это то, что оно автономно. Не требует внешнего источника питания или дополнительных катализаторов.
Несмотря на проблемы, искусственный фотосинтез привлекает большие инвестиции. В США министерство энергетики недавно объявило о выделении 100 млн долларов на пять лет. Деньги пойдут на два отдельных проекта: Центр гибридных подходов в солнечной энергии к жидкому топливу (Chase) и Альянс Liquid Sunlight Alliance (Lisa).
Chase, возглавляемый Университетом Северной Каролины в Чапел-Хилл (UNC), работает над практическими приложениями, аналогичными устройству Кембриджа, разрабатывая системы, которые, как солнечные панели, используют полупроводники для поглощения света, а затем используют различные катализаторы для преобразования углекислого газа в топливо.
По словам заместителя директора Chase профессора Джиллиан Демпси, особое внимание уделяется концепции каскадных катализаторов. Превращение диоксида углерода в пригодное для использования топливо включает в себя более одного химического превращения, а катализаторы могут обрабатывать только одно за раз.
«Первый выполняет первый шаг, а затем передает свой продукт следующему катализатору», — говорит она.
Проект Lisa использует более теоретический подход, направленный на улучшение каждого этапа и компонента искусственного фотосинтеза. Возможные катализаторы и процессы моделируются компьютером до того, как они будут опробованы.
«Мы активно работаем над теорией, и теория и эксперимент идут рука об руку», — говорит руководитель проекта, профессор Гарри Этуотер из Калифорнийского технологического института. «Теперь у нас есть самая большая база данных в мире».
Плохая новость заключается в том, что мы вряд ли в ближайшее время увидим поля, заполненные панелями фотосинтеза. По словам профессора Демпси, по-прежнему существуют серьезные препятствия. Свести все технологии в одну связку — проблема.
«Существовала невероятная наука с точки зрения сбора света, с точки зрения катализа, из которого получается топливо, и с точки зрения систем управления», — говорит она.
«Но интеграция этих отдельных компонентов в систему, способную к искусственному фотосинтезу, является огромной проблемой».
Также трудно гарантировать, что реакции производят коммерчески жизнеспособное топливо, поскольку многие из катализаторов, которые могут достичь этого, являются слишком дорогими или слишком неэффективными для крупномасштабного использования.
Наконец, говорит профессор Демпси, долговечность является проблемой: «Когда вы имеете дело с постоянным излучением [солнечным светом], которое может вызвать реакцию, которая может быть очень пагубной и едкой».
В результате искусственный фотосинтез по-прежнему не может производить жидкое топливо достаточно дешево, чтобы конкурировать с ископаемым топливом.
«Но динамика может измениться очень быстро», — говорит профессор Рейснер.
«Цена на нефть может измениться, налогообложение может измениться. И когда ситуация начнет меняться, в какой-то момент в будущем цена искусственного фотосинтеза снизится, а цена ископаемого топлива вырастет. Вопрос только в том, когда эти линии пересекаются. Если вы вернетесь на 10 лет назад, то даже самые оптимистичные прогнозы стоимости фотоэлектрической электроэнергии не соответствовали тому, что произошло. Стоимость снизилась на 85%, что невероятно. Как только появится экономия на масштабе, многое станет возможным. Так что я очень оптимистичен».
