Voivatko Tekoäinen Fotosynteesi Avata Vetytalouden?

Luonnon Fotosynteesin Korvaaminen

Suoraan tai epäsuoraan, valtava määrä energiamme on tuotettu fotosynteesin kautta. Tämä on toki totta kaloreista, jotka voimittavat kehojamme, mutta lopulta myös fossiilisten polttoaineiden osalta, jotka ovat vain “varastoitua” fotosynteesiä kasveista, jotka kuolivat eoneja sitten.

Niinpä monet ponnistelut on omistettu joko parantamaan luonnollista fotosynteesiä tai hyödyntämään sitä uusissa sovelluksissa, kuten biojalosteen valmistamisessa levästä. Sen rakentaminen suurissa mittakaavoissa voi osoittautua olennaiseksi rajoittaakseen kasvavaa CO2-pitoisuutta ilmakehässä.

Mutta mitä jos voisimme jäljitellä fotosynteesiprosessia ilman elävien organismien kanssa kamppailemista? Se on sähkökemiallinen prosessi, joka ei välttämättä vaadi eläviä soluja. Tämä on niin kutsutun “tekoäisen fotosynteesin” lupa.

Se parantaisi kykyämme käyttää auringon energiaa yhden askeleen ylemmäs fotovoltaisten laitteiden yläpuolelle, jotka voivat “vain” muuttaa auringonvaloa sähköksi, mutta eivät vaikuta suoraan kemiallisiin reaktioihin.

Kolme tutkijaa Japanin Edistyneen Tieteen ja Teknologian Instituutissa (JAIST) ja Tokion yliopistossa saattavat olleet lähempänä tämän teknologian toteuttamista. Tutkimus julkaistiin Chemical Communications -julkaisussa otsikolla “Bioinspiroidut hydrogeelit: polymeriset suunnittelut tekoäiseen fotosynteesiin”.

Miten Fotosynteesi Toimii?

Kasveissa fotosynteesi on karkeasti ottaen prosessi, jossa otetaan CO2:ta ja vettä, käytetään valoa energianlähteenä ja tuotetaan hiilihydraatteja ja happea.

Lähde: Britannica

Sanotaan, että tämä voidaan yksinkertaistaa hyvin yksinkertaiseksi kemialliseksi yhtälöksi, ja se voidaan helposti jäljitellä tekoisesti.

Lähde: Britannica

Se on toinen tarina, kun tarkastelet, miten se tehdään. Kasvien fotosynteesi on itse asiassa yksi monimutkaisimmista biokemiallisista koneistoista, jossa on kymmeniä välivaiheita, lukuisia alkomponentteja ja toisinaan ei-niin-hyvin-ymmärrettyjä molekulaarisia mekanismeja, jotka liittyvät monimutkaisiin elektronisiirtoihin.

Britannican tietosanakirjan selitys tästä aiheesta on vähintään 10 000 sanaa. Tätä tutkivat tutkijat joutuvat kamppailemaan monimutkaisempien kaavioiden kanssa, jotta he voisivat saada yleiskuvan fotosynteesistä:

Lähde: Lumen Learning

Vaikka fotosynteesiä käytetään pääasiassa luonnossa hiilihydraattien tuottamiseen, se voidaan teoriassa käyttää moniin muihin sovelluksiin, jotka käyttävät valoa energianlähteenä, kuten esimerkiksi vetyhydraatin tuottamiseen vedestä (fotokatalyysi).

Biologisesti Vaikutteiset Hydrogeelit Vetytuotantoon

Koska yksi luonnon fotosynteesin vaiheista on veden jakaminen happiin ja 2H+ atomeihin, näyttää siltä, että vain tämän vaiheen jäljittäminen olisi helpompaa kuin koko prosessin jäljittäminen. Tätä ovat japanilaiset tutkijat työskennelleet hydrogeelien parissa.

Lähde: Chemical Communications

He käyttivät toiminnallisia molekyylejä, kuten ruteniumikomplekseja ja platinan nanopartikkeleja, jotka toimivat yhdessä jäljitelläkseen luonnollista fotosynteesiprosessia ja ovat tunnettuja voimakkaina fotokatalyytteina. Uudistus on siinä, miten nämä partikkelit on järjestetty:

“Tässä on ainutlaatuista se, miten molekyylit on järjestetty hydrogeelissä. Luomalla rakenteellisen ympäristön, olemme tehneet energianmuunnosprosessin paljon tehokkaammaksi.”

Reina Hagiwara – PhD-opiskelija JAIST:ssa

Lähde: Chemical Communications

Parannettu Tehokkuus

Toinen tärkeä parannus hydrogeelin käytössä verrattuna aiempiin menetelmiin on, että se pitää metalliset partikkelit erillään toisistaan, mikä taas vähentää prosessin tehokkuutta.

“Suurin haaste oli keksiä, miten järjestää nämä molekyylit siten, että ne voivat siirtää elektroneja sileästi. Käyttämällä polymeriverkkoa, pystyimme estämään niiden kasautumisen, mikä on yleinen ongelma tekoäisessa fotosynteesijärjestelmissä.”

Kosuke Okeyoshi – Apulaisprofessori JAIST:ssa

Lopputuloksena oli paljon tehokkaampi fotokatalyysi, joka tuotti enemmän vetyä kuin vanhemmat tekniikat.

Lähde: Chemical Communications

Valon Sieppaava Geeli

Toinen tekijä, joka paransi tehokkuutta, on, että geeli lukitsee valon sisäänsä, lisäten sen mahdollisuuden voimittaa haluttua kemiallista reaktiota.

Hydrogeelin huolellinen suunnittelu optimoitiin luomaan säteitä, joiden halkaisija on pienempi kuin näkyvän valon aallonpituus. Tämä mahdollisti myös platinan ja ruteniumin mikroskooppisten partikkeleiden integroinnin geeliin järjestellyssä verkossa.

Lähde: Chemical Communications

Vetytalouden Avain?

Vety tai vedyllä valmistettu ammoniakki on pitkään ollut potentiaalinen ihanteellinen polttoaine maailman voimittamiseen vihreällä energialla.

Olemalla kemiallisessa muodossa sähköisen sijasta, vety voisi varastoida vihreää energiaa paljon pidempään ja olla parempi korvike fossiilisiille polttoaineille kuin akut tärkeissä sovelluksissa, kuten laivassa tai raskaassa teollisuudessa.

Ongelma on, että vetyhydraatin tuottaminen sähkölyysillä on erittäin energiankulutuksellinen prosessi ja melko tehokas prosessi. Tämä johtaa siihen, että suurin osa vihreästä energiasta, jota käytetään vetyhydraatin tuottamiseen, haaskataan, mikä vahingoittaa idean taloudellisuutta.

Vihreän vetyhydraatin tehokkuusongelma on perustuu siihen, että nykyinen konsepti vaatii liian monta vaihetta: valo -> DC-virta -> sähkölyysi -> vetyhydraatin tuottaminen. Jokainen ylimääräinen vaihe vähentää tehokkuutta ja maksaa enemmän pääomaa ja resursseja koneistolle.

Tämä muuttuu entistä huonommaksi, jos DC-virtaa on muunnettava AC:ksi ja siirrettävä verkon kautta aurinkosähköasemilta vetyhydraatin synteesipaikalle.

Suora fotokatalyysi muuttaisi sen “valo -> vetyhydraatin tuottaminen” ilman välivaiheita.

Seuraavat Vaiheet

Parannetut Polymeerit

Tämä julkaisu osoittaa, että huolellisesti järjestetty verkkomaiset fotokatalyyttiset partikkelit voivat olla pelinmuuttaja vetyhydraatin tuottamisessa. Hydrogeeli, jota tässä käytetään, saattaa olla vain askel kiven alla.

Tutkijat odottavat, että kehitetään edistyneempiä polymeriverkkoja. Tähän saattaa kuulua kiinnittää katalyyttisiä komponentteja ei vain pieninä partikkeleina vaan myös pitkinä, ohuina molekyyliketjuina, lisäten kosketuspintaa ja valon sieppaamista. Myös luonnollisten supramolekyylien, kuten tubuliini/mikrotubulien, tulevaisuuden käyttö on mahdollista.

Lisää Kuin Vety

Tutkimus keskittyi vetyhydraatin tuottamiseen, mutta tämä on pitkälti ei ainoa kemiallinen reaktio, jota voidaan katalysoida auringonvalolla.

Esimerkiksi japanilaiset tutkijat Osakassa ovat keksineet tavan tuottaa fumaarihappoa bikarbonaatista ja biomassasta johdetusta pyruvihaposta käyttämällä toisenlaista tekoäistä fotosynteesiä.

Platinan Ulkopuolella

Monet vetyhydraatin tuottamismenetelmät perustuvat veden molekyylien jakamiseen platinalla tai muiden harvinaisten metallien avulla, jotka ovat saman ryhmän metalleja kuin ruteniumi. Ja tämä saattaa olla yksi argumenteista platinan sijoittamisen puolesta, paitsi hybridiajoneuvojen kasvavan suosion.

Samalla platinan korkea hinta on rohkaissut tutkijoita etsimään kustannustehokkaampia vaihtoehtoja.

Voit lukea joitakin esimerkkejä Nickel-pohjaisen sähkölyysin edistymisistä ja veden jakamisesta upotetulla swarfilla.

Ehkä nämä edistysaskeleet platinan vaihtoehtojen kehittämisessä voivat yhdistää hydrogeelin ja fotokatalyysin, joista on keskusteltu yllä, luomaan erittäin halvan vetyhydraatin tuottamismenetelmän, joka käyttää vain halpaa metallia, polymeerejä ja auringonvaloa.

Sijoittaminen Tekoäiseen Fotosynteesiin & Vetyyn

Tekoäinen fotosynteesi on nyt hyvin kehittynyt kokeellinen ala. Kuitenkin vetytalouden potentiaali on tarpeeksi suuri saadakseen monet yritykset valmiiksi sijoittamaan mahdollisuuteen.

Koska monet vetyhydraatin tuottamismenetelmät perustuvat platinan käyttöön, tämä voi olla yksi vaihtoehto: On mahdollista ostaa platinan sijoittamiseksi fyysinen muoto, ja useimmat jalometallien bullion-myyjät tarjoavat platinan kolikkoja ja metallipalkkeja. Platinan korut ovat myös mahdollisia.

Kaupattavaa fyysistä platinavarastoa voidaan käyttää abrdn Physical Platinum Shares ETF (PPLT) ja GraniteShares Platinum Trust (PLTM) kautta.

Voit sijoittaa vetyyn liittyviin yrityksiin useiden välittäjien kautta, ja voit löytää täältä, securities.io, suosituksemme parhaimmista välittäjistä Yhdysvalloissa, Kanadassa, Australiassa ja Isossa-Britanniassa, sekä monissa muissa maissa.

Jos et ole kiinnostunut valitsemaan tiettyjä vetyyn liittyviä yrityksiä, voit myös tarkastella ETF:eitä, kuten VanEck Rare Earth and Strategic Metals ETF (REMX) platinan kannalta tai vetyyn keskittyviä ETF:eitä, kuten Global X Hydrogen ETF (HGEN) tai VanEck Hydrogen Economy UCITS (HDRO), jotka tarjoavat monipuolisemman altistumisen vetytalouden potentiaalille.

Vety Yritys

(BLDP )

Ballard on polttokennon valmistaja ja teknologian edelläkävijä sen ensimmäisellä polttokenno-bussilla vuonna 1993.