Miten Keinotekoinen Fotosynteesi Toimii

{h1}

Keinotekoisen fotosynteesin ansiosta voimme replikoida jonkin luonnon ihmeitä. Käy WordsSideKick.comin oppia keinotekoisen fotosynteesin avulla.

Jos älykkäin energialähde on runsaasti, halvalla ja puhtaalla, niin kasvit ovat paljon älykkäämpiä kuin ihmisillä. Yli miljardeja vuosia he kehittivät ehkä maailman tehokkaimman virtalähteen: fotosynteesi, tai auringonvalon, hiilidioksidin ja veden muuntaminen käyttökelpoiseksi polttoaineeksi, joka tuottaa hyödyllistä happea prosessissa.

Kasvien (sekä levät ja jotkut bakteerit) osalta "käyttökelpoinen polttoaine" on hiilihydraatteja, proteiineja ja rasvoja. Ihmiset puolestaan ​​etsivät nestemäistä polttoainetta sähköautojen ja sähkön käyttämiseen jääkaappien ajamiseen. Mutta tämä ei tarkoita sitä, ettemme voi etsiä fotosynteesiä ratkaisemaan likaiset, kalliit, vähenevät energiaongelmat. Vuosien ajan tiedemiehet ovat yrittäneet päästä eroon tavasta käyttää samaa energiajärjestelmää kuin tehtaat, mutta muutettu lopputulos.

Ainetta lukuun ottamatta energian syöttöä käyttävät tehtaat tekevät massiivisia energianmuunnoksia, kääntäen 1,102 miljardia tonnia (1 000 miljardia tonnia) CO2 orgaaniseen aineeseen eli energiaa eläimille ruoan muodossa joka vuosi [lähde: Hunter]. Ja se käyttää vain 3 prosenttia auringonvalosta, joka ulottuu maapallolle [lähde: Boyd].

Auringonvalolta saatavana oleva energia on käyttökuntana oleva voimavara, josta olemme alkaneet todella saada kädensijan. Nykyinen aurinkokennotekniikka, tyypillisesti puolijohdepohjainen järjestelmä, on kallista, ei kauhean tehokasta ja vain välittömiä muutoksia auringonvalolta sähköksi - energian tuotantoa ei ole tallennettu sateiselle päivälle (vaikka se voisi muuttua: Katso "Onko olemassa tapa saada aurinkoenergiaa yöllä?"). Mutta keinotekoinen fotosynteesijärjestelmä tai valosähkökemiallinen kenno, joka jäljittelee mitä kasveissa tapahtuu, voisi mahdollisesti luoda loputon, suhteellisen edullisen tarjonnan kaikesta puhtaasta "kaasusta" ja sähköstä, jonka tarvitsemme elämäämme - ja myös varastoitavassa muodossa.

Tässä artikkelissa tarkastelemme keinotekoista fotosynteesiä ja näemme kuinka pitkälle se on tullut. Selvitetään, mitä järjestelmää on voitava tehdä, tarkistaa nykyiset keinotekoiset fotosynteesi-menetelmät ja selvittää, miksi se ei ole yhtä helppoa kuin jotkut muut energiaa muuntamisjärjestelmät.

Joten mitä keinotekoisen fotosynteesijärjestelmän on kyettävä tekemään?

Miten keinotekoinen fotosynteesi toimii: miten

Keinotekoiset fotosynteesi-lähestymistavat

Energiansiirtojärjestelmän on pystyttävä tekemään kaksi ratkaisevaa asiaa (luultavasti jonkin tyyppisessä nanoputkessa, joka toimii rakenteellisena "lehtinä"): sadonkorjuun auringonvalo ja split-vesimolekyylit.

Kasvit suorittavat nämä tehtävät käyttämällä klorofylliä, joka ottaa auringonvalon ja joukon proteiineja ja entsyymejä, jotka käyttävät tätä auringonvaloa hajoamaan H2O-molekyyleistä vetyksi, elektroneiksi ja hapeksi (protonit). Elektronia ja vetyä käytetään sitten CO: n kääntämiseen2 hiilihydraatteihin, ja happi karkotetaan.

Jotta keinotekoinen järjestelmä toimisi ihmisten tarpeisiin, tuotoksen täytyy muuttua. Sen sijaan, että vapautettaisiin vain happea reaktion lopussa, sen pitäisi vapauttaa nestemäinen vety (tai jopa metanoli). Tätä vetyä voitaisiin käyttää suoraan nestemäisenä polttoaineena tai kanavoida polttokennoon. Prosessin tuottaminen vedyn tuottamiseksi ei ole ongelma, koska se on jo olemassa vesimolekyyleissä. Ja auringonvalon kaappaaminen ei ole ongelma - nykyiset aurinkovoimajärjestelmät tekevät niin.

Kova osa jakaa vesimolekyylit saadakseen tarvittavat elektronit helpottamaan kemiallista prosessia, joka tuottaa vetyä. Jakaantuvuus vaatii noin 2,5 voltin energian syötön [lähde: Hunter]. Tämä tarkoittaa, että prosessi vaatii katalyyttiä - jotain, että koko asia muuttuu. Katalyytti reagoi auringon fotonien kanssa kemiallisen reaktion käynnistämiseksi.

Alalla on tapahtunut merkittäviä edistysaskelia viimeisten viiden tai kymmenen vuoden aikana. Muutama menestyneimmistä katalysaattoreista ovat:

  • Mangaani: Mangaani on katalysaattori, joka löytyy kasvien fotosynteesistä. Yksittäinen mangaaniatomi laukaisee luonnollisen prosessin, joka käyttää auringonvaloa jakamaan vettä. Käyttämällä mangaania keinotekoisessa järjestelmässä a biometrinen lähestymistapa - Se välittömästi jäljittelee kasveissa havaittua biologiaa.
  • Väriherkistetty titaanidioksidi: Titaanidioksidi (TiO2) on stabiili metalli, joka voi toimia tehokkaana katalysaattorina. Sitä käytetään väriaineherkistetyssä aurinkokennossa, joka tunnetaan myös nimellä Graetzel-solu, joka on ollut 1990-luvulta lähtien. Graetzel-solussa TiO2 on ripustettu väriainepartikkelikerrokseen, joka nappaa auringonvalon ja altistaa sen TiO: lle2 aloittaa reaktio.
  • Kobolttioksidi: Yksi hiljattain löydetyistä katalysaattoreista, nanokokoisten kobolttioksidimolekyylien (CoO) klustereista on todettu olevan stabiileja ja erittäin tehokkaita laukaisijoita keinotekoisessa fotosynteesijärjestelmässä. Kobolttioksidi on myös hyvin runsaasti molekyyliä - se on tällä hetkellä suosittu teollinen katalysaattori.

Kun ne olivat täydellisiä, nämä järjestelmät voisivat muuttaa tapamme, jolla voimme hallita maailmaa.

Keinotekoiset fotosynteesi-sovellukset

NREL-tiedemies John Turner osoittaa fotosähkökemiallisen (PEC) solun kyvyn tuottaa vetyä vedestä käyttämällä valolähteestä saatavaa energiaa.

NREL-tiedemies John Turner osoittaa fotosähkökemiallisen (PEC) solun kyvyn tuottaa vetyä vedestä käyttämällä valolähteestä saatavaa energiaa.

Fossiiliset polttoaineet ovat puutteellisia, ja ne edistävät saastumista ja ilmaston lämpenemistä. Hiili, vaikka se on runsaasti, on erittäin saastuttavaa sekä ihmisruumiille että ympäristölle. Tuulivoimalat vahingoittavat maalauksellisia maisemia, maissi vaatii suuria viljelyalueita ja nykyinen aurinkokennotekniikka on kallista ja tehotonta.Keinotekoinen fotosynteesi voisi tarjota uuden, mahdollisesti ihanteellisen keinon energiaongelmistamme.

Ensinnäkin sillä on etuja aurinkosähkökammiossa, joka löytyy nykypäivän aurinkopaneeleista. Suoran auringonvalon muuntaminen sähkön aurinkosähkö soluihin tekee aurinkovoimasta sää ja aika riippuvaisen energian, mikä vähentää sen käyttökelpoisuutta ja nostaa sen hintaa. Keinotekoinen fotosynteesi voi toisaalta tuottaa varastoitavaa polttoainetta.

Ja toisin kuin useimmat vaihtoehtoisen energian tuottamismenetelmät, keinotekoinen fotosynteesi voi tuottaa useampaa kuin yhtä polttoainetyyppiä. Fotosynteettistä prosessia voidaan säätää niin, että valon, CO2 ja H2O lopulta tuottaa nestemäistä vetyä. Nestemäistä vetyä voidaan käyttää kuten bensiini vetykäyttöisissä moottoreissa. Se voitaisiin myös työntää polttoainesoluun, joka kääntäisi fotosynteesiprosessin tehokkaasti ja luo sähkön yhdistämällä vetyä ja happea veteen. Vetypolttokennot voivat tuottaa sähköä kuten tavaraa, jota saamme verkosta, joten käytämme sitä ilmastointilaitteiden ja vedenlämmittimien käyttämiseen.

Yksi nykyinen ongelma laajamittaisen vetyenergian kanssa on kysymys siitä, miten tehokkaasti - ja puhtaasti - tuotetaan nestemäistä vetyä. Keinotekoinen fotosynteesi voi olla ratkaisu.

Metanoli on toinen mahdollinen tuotos. Sen sijaan, että annettaisiin puhdas vety fotosynteesiprosessissa, valosähkökemiallinen solu voisi tuottaa metanolipolttoainetta (CH3VAI NIIN). Metanoli tai metyylialkoholi on tyypillisesti johdettu metaanista maakaasussa, ja se lisätään usein kaupalliseen bensiiniin, jotta se polttaisi puhtaammin. Jotkut autot voivat jopa ajaa vain metanolia.

Kyky tuottaa puhdasta polttoainetta ilman haitallisia sivutuotteita, kuten kasvihuonekaasuja, tekee keinotekoisesta fotosynteesistä ihanteellisen energialähteen ympäristölle. Se ei vaadi kaivamista, kasvamista tai poraamista. Ja koska vettä ja hiilidioksidia ei tällä hetkellä ole tarjolla, se voi myös olla rajaton lähde, joka saattaa olla pitkällä aikavälillä mahdollisesti halvempi kuin muut energiamuodot. Itse asiassa tällainen valosähkökemiallinen reaktio voisi jopa poistaa suuria määriä haitallista CO: ta2 polttoaineen tuottamisprosessista ilmasta. Se on win-win -tapahtuma.

Mutta emme ole vielä siellä. Keinotekoisen fotosynteesin käyttäminen massaspektriin on useita esteitä.

Haasteita keinotekoisen fotosynteesin luomisessa

Luonto on täydentänyt fotosynteesiprosessia yli miljardien vuosien ajan. Se ei ole helppo kopioida synteettisessä järjestelmässä.

Luonto on täydentänyt fotosynteesiprosessia yli miljardien vuosien ajan. Se ei ole helppo kopioida synteettisessä järjestelmässä.

Vaikka keinotekoinen fotosynteesi toimii laboratoriossa, se ei ole valmis massankulutukseen. Replikointi, mitä tapahtuu luonnollisesti vihreillä kasveilla, ei ole yksinkertainen tehtävä.

Tehokkuus on ratkaisevan tärkeä energiantuotannossa. Kasvit otti miljardeja vuosia kehittääkseen fotosynteesiprosessin, joka toimii tehokkaasti niille; toisin kuin synteettisessä järjestelmässä, kestää paljon kokeiluja ja virheitä.

Mangaani, joka toimii katalysaattorina kasveissa, ei toimi myös ihmisen tekemisessä, lähinnä koska mangaani on jokseenkin epävakaa. Se ei kestä erityisen pitkä, eikä se liukene veteen, mikä tekee mangaanipohjaisesta järjestelmästä jonkin verran tehottoman ja epäkäytännöllisen. Toinen suuri este on, että molekyylien geometria kasveissa on erittäin monimutkainen ja tarkka - useimmat ihmisen tekemät kokoonpanot eivät voi jäljitellä sitä intricacy-tasoa.

Vakaus on ongelma monissa mahdollisissa fotosynteesijärjestelmissä. Orgaaniset katalysaattorit hajoavat usein tai ne aiheuttavat lisäreaktioita, jotka voivat vahingoittaa solun toimintaa. Epäorgaaniset metallioksidikatalyytit ovat hyvä mahdollisuus, mutta niiden on toimittava riittävän nopeasti, jotta järjestelmään kaadettavien fotonien tehokas käyttö olisi mahdollista. Tällainen katalyyttinen nopeus on vaikea tulla. Ja jotkut metallioksidit, joilla on nopeus, puuttuvat toisesta alueesta - runsaudesta.

Nykyisessä huipputeknologiassa väriaineherkistetyissä soluissa ongelma ei ole katalyytti; Sen sijaan se on elektrolyyttiliuos, joka absorboi protonit split-vesimolekyyleistä. Se on olennainen osa solua, mutta se on tehty haihtuvista liuottimista, jotka voivat heikentää muita järjestelmän osia.

Viime vuosien edet ovat alkaneet käsitellä näitä kysymyksiä. Kobolttioksidi on vakaa, nopea ja runsas metallioksidi. Väriaineistettujen solujen tutkijat ovat keksineet ei-liuotinpohjaisen ratkaisun korroosiota aiheuttavan aineen korvaamiseksi.

Keinotekoisen fotosynteesin tutkimus on höyryn poistamista, mutta se ei lähde laboratorioon pian. Se on vähintään 10 vuotta ennen kuin tällainen järjestelmä on todellisuus [lähde: Boyd]. Ja se on melko toiveikas arvio. Jotkut ihmiset eivät ole varma, että se tulee koskaan tapahtumaan. Silti, kuka voi vastustaa toivoen keinotekoisia kasveja, jotka käyttäytyvät kuin todellinen asia?


Video Täydentää: SCP-001 Kalinin's Proposal.




FI.WordsSideKick.com
Kaikki Oikeudet Pidätetään!
Jäljentämistä Materiaalien Sallittu Vain Prostanovkoy Aktiivinen Linkki Sivustoon FI.WordsSideKick.com

© 2005–2019 FI.WordsSideKick.com