التمثيل الضوئي الاصطناعي: تقنية اثنين في واحد يمكن أن تنقذ الكوكب

التمثيل الضوئي: الآلية الأساسية للحياة على هذا الكوكب ، بلاء طلاب البيولوجيا في GCSE ، والآن طريقة محتملة لمكافحة تغير المناخ. يعمل العلماء بجد لتطوير طريقة اصطناعية تحاكي كيفية استخدام النباتات لأشعة الشمس لتحويل ثاني أكسيد الكربون والماء إلى شيء يمكننا استخدامه كوقود. إذا نجحت ، فسيكون سيناريو مربحًا للجانبين: لن نستفيد فقط من الطاقة المتجددة المنتجة بهذه الطريقة ، ولكن يمكن أن تصبح أيضًا طريقة مهمة لتقليل مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي.

ومع ذلك ، فقد استغرقت النباتات مليارات السنين لتطوير عملية التمثيل الضوئي ، وليس من السهل دائمًا تكرار ما يحدث في الطبيعة. في الوقت الحالي ، تعمل الخطوات الأساسية في عملية التمثيل الضوئي الاصطناعي ، ولكن ليس بكفاءة عالية. والخبر السار هو أن البحث في هذا المجال يسير بخطى سريعة وهناك مجموعات حول العالم تتخذ خطوات نحو تسخير هذه العملية المتكاملة.

عملية التمثيل الضوئي على خطوتين

لا يقتصر التمثيل الضوئي على التقاط ضوء الشمس فقط. يمكن للسحلية التي تستحم في الشمس الدافئة أن تفعل ذلك. تطورت عملية التمثيل الضوئي في النباتات كطريقة لالتقاط وتخزين هذه الطاقة (بت "الصورة") وتحويلها إلى كربوهيدرات (بت "التخليق"). تستخدم النباتات سلسلة من البروتينات والإنزيمات التي تعمل بأشعة الشمس لإطلاق الإلكترونات ، والتي بدورها تستخدم لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى كربوهيدرات معقدة. في الأساس ، يتبع التمثيل الضوئي الاصطناعي نفس الخطوات.

راجع أعمدة المصابيح في لندن التي يتم تحويلها إلى نقاط شحن الطاقة الشمسية في المملكة المتحدة: كيف تعمل الطاقة الشمسية وما هي مزاياها؟

يوضح فيل دي لونا ، طالب دكتوراه يعمل في قسم الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسبات في جامعة تورنتو. "في عملية التمثيل الضوئي الاصطناعي ، نستخدم أجهزة ومواد غير عضوية. يتم إجراء الجزء الفعلي لحصاد الطاقة الشمسية بواسطة الخلايا الشمسية ويتم إجراء جزء تحويل الطاقة بواسطة [تفاعلات كهروكيميائية في وجود] محفزات. "

إن ما يروق لهذه العملية حقًا هو القدرة على إنتاج الوقود لتخزين الطاقة على المدى الطويل. هذا أكثر بكثير مما يمكن أن تفعله مصادر الطاقة المتجددة الحالية ، حتى مع تكنولوجيا البطاريات الناشئة. إذا لم تغرب الشمس أو لم يكن يومًا عاصفًا ، على سبيل المثال ، تتوقف الألواح الشمسية ومزارع الرياح عن الإنتاج. يقول دي لونا: "من أجل التخزين الموسمي المطول والتخزين في أنواع الوقود المعقدة ، نحتاج إلى حل أفضل". "البطاريات رائعة للاستخدام اليومي ، للهواتف وحتى للسيارات ، لكننا لن نشغل [بوينج] 747 ببطارية."

التحديات التي يتعين حلها

عندما يتعلق الأمر بإنشاء الخلايا الشمسية - الخطوة الأولى في عملية التمثيل الضوئي الاصطناعي - لدينا بالفعل التكنولوجيا الموجودة: أنظمة الطاقة الشمسية. ومع ذلك ، فإن الألواح الكهروضوئية الحالية ، والتي عادة ما تكون أنظمة قائمة على أشباه الموصلات ، باهظة الثمن وغير فعالة نسبيًا مقارنة بالطبيعة. هناك حاجة إلى تقنية جديدة ؛ واحد يهدر طاقة أقل بكثير.

ربما يكون غاري هاستينغز وفريقه من جامعة ولاية جورجيا ، أتلانتا ، قد تعثروا في نقطة البداية عند النظر إلى العملية الأصلية في النباتات. في عملية التمثيل الضوئي ، تتضمن النقطة الحاسمة تحريك الإلكترونات على مسافة معينة في الخلية. بعبارات بسيطة للغاية ، هذه الحركة الناتجة عن ضوء الشمس الذي يتم تحويله لاحقًا إلى طاقة. أظهر هاستينغز أن العملية فعالة للغاية في الطبيعة لأن هذه الإلكترونات لا يمكنها العودة إلى موقعها الأصلي: "إذا عاد الإلكترون إلى حيث أتى ، فإن الطاقة الشمسية تضيع." في حين أن هذا الاحتمال نادر الحدوث في النباتات ، إلا أنه يحدث كثيرًا في الألواح الشمسية ، مما يفسر سبب كونها أقل كفاءة من الشيء الحقيقي.

يعتقد هاستينغز أن هذا "من المرجح أن يؤدي هذا البحث إلى تطوير تقنيات الخلايا الشمسية المتعلقة بإنتاج المواد الكيميائية أو الوقود" ، لكنه سارع إلى الإشارة إلى أن هذه مجرد فكرة في الوقت الحالي ومن غير المرجح أن يحدث هذا التقدم في أي وقت قريب. "فيما يتعلق بتصنيع تقنية خلايا شمسية اصطناعية بالكامل تم تصميمها بناءً على هذه الأفكار ، أعتقد أن التكنولوجيا أبعد ما تكون عن المستقبل ، ومن المحتمل ألا يحدث ذلك في غضون السنوات الخمس المقبلة حتى بالنسبة لنموذج أولي."

يعتقد باحثو مشكلة واحدة أننا على وشك الحل تتضمن الخطوة الثانية في العملية: تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود. نظرًا لأن هذا الجزيء مستقر للغاية ويحتاج إلى كمية لا تصدق من الطاقة لكسرها ، فإن النظام الاصطناعي يستخدم المحفزات لخفض الطاقة المطلوبة والمساعدة في تسريع التفاعل. ومع ذلك ، فإن هذا النهج يجلب مجموعة المشاكل الخاصة به. كانت هناك محاولات عديدة على مدى السنوات العشر الماضية ، باستخدام محفزات مصنوعة من المنغنيز والتيتانيوم والكوبالت ، ولكن الاستخدام المطول أثبت أنه يمثل مشكلة. قد تبدو النظرية جيدة ، لكنها إما تتوقف عن العمل بعد بضع ساعات ، أو تصبح غير مستقرة ، أو تبطئ أو تؤدي إلى تفاعلات كيميائية أخرى قد تتلف الخلية.

لكن يبدو أن التعاون بين الباحثين الكنديين والصينيين قد حقق الفوز بالجائزة الكبرى. وجدوا طريقة للجمع بين النيكل والحديد والكوبالت والفوسفور للعمل في درجة حموضة محايدة ، مما يجعل تشغيل النظام أسهل إلى حد كبير. "نظرًا لأن المحفز الخاص بنا يمكن أن يعمل جيدًا في إلكتروليت الأس الهيدروجيني المحايد ، وهو أمر ضروري لتقليل ثاني أكسيد الكربون ، يمكننا تشغيل التحليل الكهربائي لتقليل ثاني أكسيد الكربون في [أ] نظام خالٍ من الغشاء ، وبالتالي يمكن تقليل الجهد" ، كما يقول بو تشانغ ، من قسم علوم الجزيئات الكبيرة في جامعة فودان ، الصين. مع تحويل طاقة كهربائية إلى كيميائية مذهل بنسبة 64٪ ، أصبح الفريق الآن حاملي سجلات بأعلى كفاءة لأنظمة التمثيل الضوئي الاصطناعي.

"أكبر مشكلة مع ما لدينا الآن هي الحجم"

لجهودهم ، وصل الفريق إلى الدور نصف النهائي في NRG COSIA Carbon XPRIZE ، والتي يمكن أن تكسبهم 20 مليون دولار لأبحاثهم. الهدف هو "تطوير تقنيات متطورة من شأنها تحويل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من محطات توليد الطاقة والمنشآت الصناعية إلى منتجات ذات قيمة" ومع أنظمة التمثيل الضوئي الاصطناعي المحسّنة لديهم ، لديهم فرصة جيدة.

التحدي التالي هو التوسع. "أكبر مشكلة مع ما لدينا الآن هي الحجم. يقول دي لونا ، الذي شارك أيضًا في دراسة تشانغ ، عندما نوسع نطاقنا ، ينتهي بنا الأمر بفقدان الكفاءة. لحسن الحظ ، لم يستنفد الباحثون قائمة التحسينات الخاصة بهم ، ويحاولون الآن جعل المحفزات أكثر كفاءة من خلال التكوينات المختلفة والتكوينات المختلفة.

الفوز على جبهتين

من المؤكد أنه لا يزال هناك مجال للتحسين على المدى القصير والطويل ، ولكن يشعر الكثيرون أن التمثيل الضوئي الفني لديه القدرة على أن يصبح أداة مهمة كتقنية نظيفة ومستدامة للمستقبل.

"إنه أمر مثير للغاية لأن المجال يتحرك بسرعة كبيرة. فيما يتعلق بالتسويق ، نحن في نقطة تحول "، كما يقول دي لونا ، مضيفًا أن ما إذا كان يعمل" سيعتمد على الكثير من العوامل ، بما في ذلك السياسة العامة واعتماد الصناعة لقبول تكنولوجيا الطاقة المتجددة . "

إن الحصول على العلم الصحيح هو في الحقيقة الخطوة الأولى فقط ، إذن. في أعقاب البحث الذي أجراه أمثال Hastings و Zhang ، ستأتي الخطوة الحاسمة لامتصاص التمثيل الضوئي الاصطناعي في استراتيجيتنا العالمية حول الطاقة المتجددة. الرهانات عالية. إذا نجح الأمر ، فإننا سننتصر على جبهتين - ليس فقط إنتاج الوقود والمنتجات الكيميائية ، ولكن أيضًا تقليل بصمتنا الكربونية في هذه العملية.