Rząd USA przeznaczył 122 mln dol. na stworzenie sztucznych roślin, które będą syntetyzować paliwo z wody i dwutlenku węgla
Ceny surowców energetycznych szaleją. W Stanach Zjednoczonych za benzynę trzeba płacić już ok. 4 dol. za galon (ok. 4 l), co wywołuje wściekłość obywateli i hamuje rozwój gospodarczy. Politycy i firmy stawiają więc na nowe metody produkcji paliw.
W 2010 r. w USA powstało Połączone Centrum Badań nad Sztuczną Fotosyntezą (Joint Center for Artificial Photosynthesis, JCAP), które zatrudnia 200 naukowców pracujących w dwóch ośrodkach: w Kalifornijskim Instytucie Technologicznym (Caltech) w południowej Kalifornii oraz w Lawrence Berkeley National Laboratory w północnej części tego stanu. Administracja Baracka Obamy przeznaczyła na badania JCAP 122 mln dol. Prezydent oświadczył, że to bardzo ważny projekt, który może zmniejszyć uzależnienie Stanów Zjednoczonych od importu ropy naftowej. Ale prace nad stworzeniem sztucznego liścia trwają w wielu ośrodkach na świecie: od Sztokholmu i Tokio po Manchester i Glasgow.
„Moim marzeniem jest wytworzenie paliwa bezpośrednio z energii słonecznej. Rośliny produkują w ten sposób znacznie bardziej skomplikowane związki chemiczne. My zadowolimy się zwykłą benzyną”, powiedział Niyazi Serdar Sarlçiftçi, światowej sławy fizyk pochodzenia tureckiego, pracujący w Instytucie Organicznych Ogniw Słonecznych w austriackim Linzu. Sarlçiftçi twierdzi, że gdyby sztucznej fotosyntezie poświęcono tyle uwagi i środków ile energetyce atomowej, problemy techniczne już dawno by rozwiązano. Zdaniem tego naukowca do transportu paliwa wyprodukowanego przez rośliny syntetyczne można by wykorzystać istniejące już gazociągi.
Syntetyczne rośliny
Eksperci przypominają, że energia słoneczna, która trafia na Ziemię w ciągu godziny, może zaspokoić potrzeby energetyczne ludzkości na cały rok. Minimalną jej część przechwytują panele słoneczne – ich wydajność jest ograniczona, przy tym ogniwa słoneczne produkują prąd, a trudności z jego magazynowaniem i przesyłaniem są poważne. Syntetyczne rośliny mogłyby natomiast wytwarzać wodór lub nawet takie paliwo, które po przetworzeniu w rafineriach można by wlewać do zbiorników dzisiejszych samochodów bez konieczności zmian konstrukcyjnych.
Jako pierwszy koncepcję sztucznej fotosyntezy przedstawił w 1912 r. włoski chemik Giacomo Ciamician. Na łamach fachowego magazynu „Science” snuł wizje zastąpienia dymiących kominów syntetycznymi roślinami ekologicznymi, które staną się niewyczerpalnym źródłem energii.
Obecnie śmiałe idee badacza z Włoch są coraz bliższe realizacji. Niektórzy uważają, że sztuczna fotosynteza doprowadzi do tego, że korzystanie z paliw organicznych, takich jak ropa, węgiel i gaz ziemny, nie będzie konieczne. Ponadto proces ten usunie z atmosfery nadmiar dwutlenku węgla, będący wynikiem spalania paliw organicznych. W ten sposób globalne ocieplenie zostanie powstrzymane.
W naturze zdolność fotosyntezy mają rośliny (w tym algi). Dzięki energii słonecznej przy udziale chlorofilu tworzą z wody i dwutlenku węgla węglowodany, np. glukozę, które są wykorzystywane jako źródło energii lub materiał do syntezy innych związków organicznych. Produktem ubocznym tego procesu jest tlen, którym oddychają zwierzęta. Specjaliści są zgodni, że aby sztuczna fotosynteza jako sposób produkcji paliwa była opłacalna, musi być 10-krotnie wydajniejsza niż fotosynteza naturalna. Ta ostatnia powstała bowiem w warunkach beztlenowej atmosfery i tlen w powietrzu niezbyt jej służy. „Próbujemy uczyć się od natury – a nawet ją przewyższyć”, stwierdził Peidong Yang, chemik z ośrodka badawczego JCAP w Berkeley.
Energetyczna folia
Kalifornijscy badacze stworzyli prototyp „sztucznego liścia” czy raczej krzemowej folii energetycznej, która zresztą jest nie zielona, lecz srebrzysta. Sztuczne liście mają produkować metanol lub nawet benzynę. Podobnie jak to się dzieje w prawdziwych roślinach, woda rozkładana jest na tlen i protony wodoru. Potem dwa protony łączą się, tworząc wodór, który wchodzi w reakcję z dwutlenkiem węgla. W zielonych liściach ten proces umożliwiają enzymy, w sztucznych trzeba zastosować katalizatory. Właśnie one stanowią największy problem. Platyna i iryd dobrze spełniają tę funkcję, ale są za drogie. Naukowcy stwierdzili jednak niedawno, że tanimi katalizatorami, umożliwiającymi rozkład wody, są kobalt i fosfat. Wolne protony wodoru pomaga natomiast łączyć niedrogi stop cynku, molibdenu i niklu.
Pod mikroskopem elektronowym sztuczne liście wyglądają jak miniaturowe szczoteczki. Na cieniutkiej membranie osadzone są obłożone katalizatorami włókienka krzemowe, które przechwytują światło słoneczne. Poprzez minirurki z jednej strony dostarczana jest woda, z drugiej zaś odprowadzany jest wodór lub metanol. Dr Yang zapowiada, że jeszcze w tym roku przedstawi prototyp sztucznego liścia o wielkości iPhone’a. Aparat do sztucznej fotosyntezy umożliwiający komercyjną produkcję paliwa będzie zapewne gotowy ok. 2020 r.
Chemik Daniel Nocera z Instytutu Technologicznego Massachusetts (MIT) zamierza natomiast za pomocą podobnej procedury wytwarzać wodór. Znalazł katalizator tańszy od platyny, który umożliwia produkcję wodoru z wody o temperaturze pokojowej, nawet z wody nalewanej prosto z kranu. W ubiegłym roku przedstawił prototyp swojego „wodorowego liścia” wielkości karty do gry. Dr Nocera obliczył, że taka solarna folia energetyczna o wymiarach 6 m na 5 m w ciągu niespełna czterech godzin wyprodukuje tyle wodoru, ile wystarczy na pokrycie dziennych potrzeb energetycznych domu jednorodzinnego. Badacz z Massachusetts stał się współzałożycielem biotechnologicznej firmy Sun Catalytix, która ma produkować aparaty do wytwarzania wodoru w drodze sztucznej fotosyntezy. Specjaliści firmy oceniają koszt uzyskania kilograma tego gazu na ok. 3 dol. Kilogram wodoru zawiera tyle energii, ile 3,75 l benzyny. Nie trzeba przypominać, że wodór jest paliwem ekologicznym, przy jego spalaniu powstaje wyłącznie woda.
Zwiastuny paliwowej rewolucji
Rosnące ceny benzyny i oleju napędowego sprawiają, że amerykańskie firmy intensywnie poszukują nowych metod produkcji paliw. Eksperci z Uniwersytetu Kalifornijskiego skonstruowali bioreaktor, w którym genetycznie zmodyfikowane bakterie zmieniają elektryczność w paliwo. Prąd potrzebny do tego procesu pochodzi z baterii słonecznych. Niektórzy uważają, że ta technologia doprowadzi do rewolucji w sektorze energetycznym, ponieważ umożliwia znacznie lepsze magazynowanie energii. Podczas produkcji etanolu z kukurydzy w paliwie pozostaje zaledwie 0,2% zawartej w ziarnach energii słonecznej. Jednak przy użyciu baterii słonecznych można uzyskać aż 15% tej energii w postaci elektryczności. Nowy bioreaktor pozyskuje 9% tej energii, za to w postaci łatwej do wykorzystania benzyny.
Firma Sapphire Energy, wytwarzająca benzynę z alg morskich, zebrała od prywatnych inwestorów 144 mln dol. Dzięki tym środkom zostanie uruchomiony pokazowy ośrodek produkcyjny w stanie Nowy Meksyk, który już w 2014 r. ma wyprodukować 1,5 mln galonów zielonego paliwa. Przedsiębiorstwo Evatran z Karoliny Północnej opracowało technologię bezprzewodowego ładowania akumulatorów pojazdów o napędzie elektrycznym. Nie potrzeba kabla, wtyczki ani odpowiedniego ustawienia pojazdu. Prąd płynie podobnie jak informacja w przypadku bezprzewodowej myszy komputerowej. Gdy akumulator jest naładowany, aparatura wyłącza się automatycznie. W ten projekt zainwestowały m.in. internetowy gigant Google oraz firma Hertz wypożyczająca samochody.
Odpowiedz na treść artykułu lub innych komentarzy