光合成: この惑星の生命の基本的なメカニズム、GCSE の生物学の学生の惨劇、そして今では気候変動と戦うための潜在的な方法。科学者たちは、植物が太陽光を利用して CO2 と水を燃料として使用できるものに変換する方法を模倣する人工的な方法の開発に懸命に取り組んでいます。この方法で生産された再生可能エネルギーから利益を得るだけでなく、大気中の CO2 レベルを削減するための重要な方法にもなる可能性があります。
しかし、植物が光合成を発達させるには数十億年かかり、自然界で起こっていることを再現することは必ずしも容易なことではありません。現時点では、人工光合成の基本的なステップは機能していますが、あまり効率的ではありません。良いニュースは、この分野の研究がペースを上げており、この統合プロセスを利用するための措置を講じているグループが世界中にあることです。
二段階光合成
光合成は、太陽光を取り込むだけではありません。暖かい日差しを浴びるトカゲがそれを可能にします。光合成は、このエネルギー (フォト ビット) をキャプチャして保存し、それを炭水化物 (合成ビット) に変換する方法として、植物で進化しました。植物は、太陽光によってエネルギーを供給される一連のタンパク質と酵素を使用して電子を放出し、その電子が CO2 を複雑な炭水化物に変換するために使用されます。基本的に、人工光合成は同じ手順に従います。
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自然な炭素循環の一部である自然光合成では、光、CO2、水が植物に入り、植物は砂糖を作ります、と大学の電気およびコンピュータ工学部で働く博士号候補の Phil De Luna は説明します。トロントの。人工光合成では、無機のデバイスや材料を使用します。実際の太陽光発電部分は太陽電池によって行われ、エネルギー変換部分は電気化学的 [存在下での反応] 触媒によって行われます。
このプロセスで本当に魅力的なのは、長期エネルギー貯蔵用の燃料を生産できることです。これは、現在の再生可能エネルギー源ができることをはるかに超えています。たとえ新しいバッテリー技術があってもです。たとえば、太陽が出ていない場合や風の強い日でない場合、ソーラー パネルや風力発電所は単に生産を停止します。長期の季節保管と複雑な燃料での保管には、より良い解決策が必要だと De Luna は言います。バッテリーは、携帯電話や自動車など、日常生活に最適ですが、[ボーイング] 747 をバッテリーで動かすことは絶対にありません。
解決すべき課題
人工光合成プロセスの最初のステップである太陽電池の作成に関しては、すでに技術が整っています。つまり、太陽光発電システムです。ただし、通常は半導体ベースのシステムである現在の太陽光発電パネルは、自然と比較して比較的高価で非効率的です。新しい技術が必要です。はるかに少ないエネルギーを無駄にするもの。
ゲイリー・ヘイスティングスと彼のチーム ジョージア州立大学、アトランタ 、植物の元のプロセスを見たときに出発点につまずいたかもしれません。光合成では、細胞内のある距離にわたって電子を移動させることが重要なポイントです。非常に簡単に言えば、太陽光によって引き起こされるこの動きが、後でエネルギーに変換されます。ヘイスティングスは、これらの電子は元の位置に戻ることができないため、このプロセスは本質的に非常に効率的であることを示しました。電子が元の位置に戻ると、太陽エネルギーが失われます。この可能性は植物ではまれですが、ソーラー パネルでは非常に頻繁に発生するため、実際のパネルよりも効率が悪い理由が説明されています。
ヘイスティングスは、この研究が化学薬品や燃料の生産に関連する太陽電池技術を進歩させる可能性が高いと考えていますが、これは現時点では単なるアイデアであり、この進歩がすぐに実現する可能性は低いとすぐに指摘しています。これらのアイデアに基づいて設計された完全に人工的な太陽電池技術の製造に関しては、技術はさらに先のことになると私は信じており、試作品であっても今後 5 年以内ではないと考えています。
解決に近づいていると研究者が考えている問題の 1 つは、プロセスの第 2 段階、つまり CO2 を燃料に変換することです。この分子は非常に安定しており、それを壊すには途方もない量のエネルギーが必要なため、人工システムは触媒を使用して必要なエネルギーを減らし、反応を加速します。ただし、このアプローチには独自の問題があります。過去 10 年間で、マンガン、チタン、コバルトから作られた触媒を使った多くの試みが行われましたが、長期間の使用はそれ自体が問題であることが証明されています。理論は良さそうに見えるかもしれませんが、数時間後に機能しなくなるか、不安定になるか、遅くなるか、細胞に損傷を与える可能性のある他の化学反応を引き起こします。
だが カナダと中国の研究者の共同研究が大当たりしたようだ 。彼らは、ニッケル、鉄、コバルト、リンを組み合わせて中性 pH で機能する方法を見つけました。これにより、システムの運用が大幅に容易になります。当社の触媒は CO2 還元に必要な中性 pH 電解質でうまく機能するため、[a] 膜のないシステムで CO2 還元の電気分解を実行でき、したがって電圧を下げることができます、と同局の Bo Zhang 氏は述べています。中国の復旦大学で高分子科学の博士号を取得。驚異的な 64% の電気から化学への電力変換により、チームは人工光合成システムの最高効率の記録保持者になりました。
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現在あるものの最大の問題は規模です
彼らの努力により、チームは NRG COSIA カーボン Xプライズで準決勝に進み、研究に対して 2,000 万ドルを獲得することができました。その目的は、発電所や産業施設から排出される CO2 を価値のある製品に変換する画期的な技術を開発することであり、それらの人工光合成システムが改良されているため、彼らは大きなチャンスを手にしています。
次の課題はスケールアップです。私たちが現在抱えている最大の問題は規模です。規模を拡大すると、結局効率が失われてしまう、と Zhang の研究にも関わった De Luna は言います。幸いなことに、研究者たちは改善のリストを使い果たしたわけではなく、現在、さまざまな組成や構成によって触媒をより効率的にしようとしています。
2つの面で勝利
短期的にも長期的にも改善の余地は確かにありますが、多くの人は、人工光合成が将来のクリーンで持続可能な技術として重要なツールになる可能性があると感じています。
フィールドの動きがとても速いので、とてもわくわくします。 De Luna 氏は、商業化に関しては転換点にあり、それが機能するかどうかは、公共政策や業界による再生可能エネルギー技術の採用など、多くの要因に依存すると付け加えています。
科学を正しく理解することは、実際には最初のステップにすぎません。ヘイスティングスやジャンなどによる研究の結果、人工光合成を再生可能エネルギーに関する私たちのグローバル戦略に取り入れるという決定的な動きが起こるでしょう。賭け金は高いです。それが実現すれば、燃料や化学製品を生産するだけでなく、その過程で二酸化炭素排出量を削減するという 2 つの面で勝利を収めることができます。
