fbpx

Да получиш чисто гориво от слънчева светлина?

Учени от Изследователския център за биодизайн към Аризонския държавен университет ( ASU’s Biodesign Center) разработват нови технологии, обединяващи поглъщащи слънчева светлина полупроводници и каталитични материали, в които под въздействието на енергията, отдадена от полупроводниците, протичат химически реакции за получаване на чисто гориво.

Обезпечаването на достатъчно количество енергия за удовлетворяване потребностите на човечеството се явява един от най-големите проблеми, с които някога се е сблъсквало обществото. Надеждните през индустриалната епоха източници на енергия – нефт, газ и въглища , днес влошават значително качеството на въздуха , замърсяват земната повърхност и световния океан, променяйки крехкия баланс в глобалния климат.

Междупрочем, съгласно прогнозите за периода до 2050 година бързо индустриализиращото се население на Земята ще достигне до 10 милиарда жители, а глобалното търсене на енергия ще нарасне от около 17 терават днес до потресаващите 30 теравата до средата на века. Намирането на чисти алтернативи на днешната енергия е един от ключовите съвременни проблеми. Учени от ASU’s Biodesign Center разработват нови технологии, които ще помогнат за намиране на чисти алтернативи на съвременните горива.

Нещо ново под Слънцето

В ново изследване, публикувано в Journal of the American Chemical Society, са описани технологии, обединяващи поглъщащи слънчева светлина полупроводници и каталитични материали, в които под въздействието на енергията, отдадена от полупроводниците, протичат химически реакции за получаване на чисто гориво.

„В конкретното изследване ние разработваме системи, които обединяват технологията за улавяне и преобразуване на слънчевата светлина с цел натрупване на енергия на основата на химически вещества” – обяснява един от авторите на изследването Гари Мур.

Вместо директно да се генерира електричество от слънчева светлина, учените използват слънчева енергия за задействане на химически реакции, способни да произвеждат гориво, което да съхранява слънчевата енергия в химическите връзки.

Фотоволтаичните (РV) устройства могат да преобразуват слънчевата светлина непосредствено в електричество. Подобрените материали и по-ниските разходи направи фотоволтаиката привлекателна енергийна алтернатива, особено в тези места на планетата, където няма недостатък от слънчева топлина.

„Но просто да имаш достъп до слънчева енергия с помощта на фотоволтаични устройства е недостатъчно” – отбелязва Мур.

Много от възобновяемите източници , такива като слънчевата светлина и енергията на вятъра, не винаги са достъпни. Затова съхраняването на такава енергия се явява ключовата част на всяка бъдеща технология, която трябва да удовлетворява глобалните потребности.

„Ясно е едно, в близко бъдеще ние вероятно ще продължим използването на гориво, като част от нашата енергийна инфраструктура, особено в сферата на наземния и въздушен транспорт. Именно затова биоинспирираната част от нашето изследване е особено актуална. Ние се обръщаме към природата за да ни подскаже, как да получим нови технологии за производство на горива, не съдържащи въглерод или са въглеродно неутрални” – продължава Мур.

Слънчевата способност

Един от най-впечатляващите процеси в природата включва използването на слънчевата светлина за производство на богати на енергия съединения. Този процес се използва вече милиарди години от растенията и други фотосинтeзиращи организми.

„В този процес светлината се абсорбира и енергията се използва за осъществяване на серия от сложни биохимични трансформации, които в крайна сметка ни дават храните, с които се храним , и в дълъг геоложки времеви мащаб, горивата, които управляват нашето съвременно общество“ – казва Мур.

В настоящото проучване групата анализира ключови променливи, регулиращи ефективността на химичните реакции, използвани за производството на гориво чрез различни изкуствени устройства.

„В това изследване ние разработихме кинетичен модел, описващ взаимодействието при поглъщането на светлината на полупроводниковата повърхност, миграцията на заряда в полупроводника, прехвърлянето на заряда в слоя катализатор и след това процеса на химическа катализа“, каза Браян Уодсуърт, друг участник в изследването.

Моделът, който екипът изследователи е разработил, се базира на подобен такъв, управляващ поведението на ензимите. Той е известен като кинетиката на Михаелис-Ментен и описва връзката между скоростта на ензимната реакция и средата, в която протича реакцията. В дадения случай моделът се прилага за технологични устройства, комбиниращи полупроводници и каталитични материали за образуване на гориво.

„Ние описваме процесите по получаване на гориво от тези хибридни системи като функция от интензивността на светлината, а също и от потенциала“, казва Уодсуърт (Подобни кинетични модели на Михаелис-Ментен са се оказали много полезни при анализа на такива явления като свързването на антиген-антитяло, хибридизацията на ДНК-ДНК и взаимодействията протеин-протеин.)

При моделирането динамиката на системата екипът е направил изненадващо откритие.

„В тази конкретна система ние не бяхме ограничени от скоростта, с която катализаторът можеше да осъществява химическата реакция“, казва Мур. „Ограничението беше в доставянето на електрони до този катализатор и неговото активиране. Това беше свързано с интензивността на светлината, попадаща на повърхността. Моите колеги показаха в своите експерименти, че увеличаването на интензитета на светлината увеличава скоростта на образуване на гориво. „

Това откритие явно ще има влияние при проектирането на бъдещия дизайн на такива устройства с цел постигане на максимална ефективност.

„Просто добавянето на повече катализатор към повърхността на хибридния материал не води до по-големи темпове на производство на гориво. Ще трябва да отчитаме способността за поглъщане на светлина от полупроводниците, което от своя страна ни принуждава да мислим повече за избора на катализатор и как катализаторът ще взаимодейства с елементите, поглъщащи светлината.“

Лъч надежда

Явно предстои труден път , преди такива решения да са готови в първоначалните си промишлени варианти. Осъществяването на такива технологии изисква ефективност, достъпност и стабилност.

„Биологичните връзки имат способността да се саморемонтират и да се възпроизвеждат, а технологичните възли са ограничени в този аспект. Това е една област, в която можем да научим много от биологията“, казва Мур.

Новото изследване е стъпка по дългия път към устойчиво бъдеще. Екипът отбелязва, че техните открития са важни, тъй като вероятно ще имат важно значение за широк спектър от химически трансформации, включващи светлопоглъщащи материали и катализатори.

„Основните принципи, особено взаимодействието между интензитета на осветяване, поглъщането на светлина и катализа, би трябвало да са аналогични и за други материали“, завършва Мур.

Източник

Коментари

avatar
Inline