През последните два века хората разчитат на изкопаемите горива като източник на концентрирана енергия – стотици милиони години фотосинтеза, събрани в удобно, енергийно плътно, макар и цапащо ръцете и въздуха вещество. Но тези запаси са ограничени, а потреблението на изкопаеми горива има огромно отрицателно въздействие върху климата на Земята. Задавали ли сте си въпроса обаче, колко много енергия всъщност бихме могли да добиваме, ако просто можехме правим същото, което растенията около нас правят успешно от милиони години насам?
Фотосинтезата е процесът, благодарение на който има живот на нашата планета. По време на него растенията приемат вода, слънчева светлина и въглероден диоксид, за да произведат органични вещества и кислород. Химическото „оборудване“ или „екипировката“ от ензими и структури в един лист обаче е изключително сложна и изобщо не е толкова лесно да се възпроизведе и използва за човешките ни енергийни цели. Проблемът: фотосинтезата е на практика съзидателен процес в който се образуват въглехидрати (захари), които са чудесни за зареждане като гориво за мускулите на живите организми, но не и за металните и тежки автомобили, нуждаещи се от много по-„концентрирана“ енергия. Затова учените, които от години се борят и опитват да създават алтернативи на изкопаемите горива, се стараят най-вече да преработят познатия процес, за да създадат по-енергийно плътни горива, като етанол или метан.
В природата фотосинтезата се извършва от няколко много сложни по състав протеини и пигменти. Те поемат вода и въглероден диоксид, разделят молекулите им и буквално пренареждат атомите, за да се получат въглехидрати – дълъг низ органични съединения, съдържащи предимно водород, кислород и въглерод. Учените обаче се стараят да променят тези действащи от милиони години на планетата ни реакции, за да получат друго подреждане, при което 4 атома водород, трябва да „обградят“ един въглероден атом и да образуват експлозивното и използващо се дори в двигателите за ракети на Илън Мъск съединение, наречено още метан (CH4). И когато впрегнат в по-голям мащаб използването на изкуствена фотосинтеза, то ще могат да произвеждат водород, електричество или пък гориво на алкохолна основа. А подобен вид „високо калорична“ енергия може да се съхранява успешно и дълго, за бъдеща употреба.
Възможността за превръщане на слънчевата светлина в гориво с ефективност близка до тази на растенията, или дори по-висока, би довела до незапомнена революция в енергийния сектор. Това е така, защото колкото и полезни да са модерните днес слънчевите панели, тяхната средна ефективност е едва 15-20 %. Да, вече са разработени някои панели, чиято ефективност се доближава до 50 %, но това далеч не е широко разпространен стандарт, а и цените им са ужасно високи. Освен това фотоволтаиците едва ли някога ще са толкова ефективни, колкото природната фотосинтеза, улавяща и съхраняваща около 60% от получената слънчева енергия, под формата на използваемо органично „гориво“. Някои учени дори смятат, че с подобрение на фотосинтетичните реакции е възможно да се постигне дори 80 % ефективност! И като се има предвид, че изкуствената фотосинтеза потенциално би могла да увеличи четирикратно количеството енергия, което можем да съберем, не е чудно, че учените работят над тази задача… още от 70-те години на миналия век! Това е дълъг период от време, за нас. Но не и ако си припомним, че еволюцията на самата растителна фотосинтеза е отнела милиони години. И не само това, но много учени смятат, че за разлика от процеса на летене, говоренето и общуването или интелекта, фотосинтезата е еволюирала само веднъж – преди около 3 милиарда години (или едва около 1,5 милиарда години след възникването на Земята). Така че, сравнете тези огромни периоди от време с прогнозите за това, че през следващите 10-15 години ще бъде постигнат достатъчен напредък, за да започнат да се използват комерсиално достъпни системи за изкуствена фотосинтеза.
Съществуват много начини за постигане и поддържане на изкуствена фотосинтеза. Разбира се – всички те са вдъхновени от самата природа, а учените са проектирали определени продукти и процеси така, че да работят. Всички те, по време на своята разработка са изследвали детайлно живи растения, за да разберат какво ги прави толкова ефективни, че да могат да постигнат работеща фотосинтеза в лабораторията. И нека отсега поясним – работещи само с процеса „фотосинтеза“ електрически централи към момента не съществуват, но с темпа на развитие на технологиите нищо чудно това да се случи в следващите години.
Ето накратко и само някои идеи. Една от най-старите, е да се създаде изкуствено „листо“, което приема светлина и разделя молекулите на водата на водород и кислород. Крайният продукт е водород, който рядко се среща в чиста елементарна форма в природата и може да се използва като енергия. Задвижваните с водород мощни кораби, сгради и автомобили биха могли да използват това гориво доста успешно.
През 2011 година друг екип учени създаде изкуствено листо с размерите на карта за игра, което може да разлага водните молекули на водород и кислород. Този метод обаче не беше достатъчно ефективен, за да бъде приложен масово. И все пак той даде знак за нова надежда в развиващата се област на изкуствената фотосинтеза. Всички настоящи технологии за изкуствени листа пък вече разчитат на въглероден диоксид, подложен на сериозно налягане. Предизвикателството се състои в това обаче, как да извлечем по-успешно CO2 от околния въздух и да го използваме.
И още един успех на международен екип от учени, който наскоро обяви пробив в областта на „тънките слънчеви клетки“. Тяхната „тънкослойна клетка“ е толкова ефективна, колкото и традиционната слънчева клетка – 25 %. Това би направило новата клетка идеална за покривни инсталации и други соларни системи за сгради, но също така е показателно за една тенденция: правене на соларни клетки възможно най-тънки, за да се увеличи тяхната гъвкавост.
Друга идея за изкуствена фотосинтеза е „брезентовият модел“. При него брезент, покрит със соларни клетки, може да се постави върху плоска повърхност, за да приема слънчева светлина и вода. След това брезентът се поставя в резервоар, пълен с катализатори, за да се преобразува CO2 в химически горива, които могат да се съхраняват или използват веднага.
Създаването на електрически ток от биологични фотосинтетични системи обикновено се постига чрез потапяне на системата в разтвор на електролит. През януари 2023 г. изследователи от Технион-Израелския технологичен институт за първи път използват сукулентно растение, за да създадат жива „биосоларна клетка“, която работи на базата на фотосинтеза.
Естествените биологични процеси във всички живи клетки – от бактерии и гъбички до растения и животни – включват движение на електрони. Клетките обаче могат да произвеждат външно електричество, при условие че са налице електроди. В миналото изследователите са използвали бактерии за създаване на горивни клетки, но микробите са изисквали непрекъснато хранене. Затова израелските учени от екипа на Ноам Адир, се спират на процесът фотосинтеза, за да генерират ел. ток. По време на него, светлината задвижва сложен цикъл на преходи на електрони, при който в крайна сметка се получават кислород и захар. Подобно на „слънчевата клетка“, живите клетки на фотосинтезиращите организми непрекъснато задействат потоци от електрони, които евентуално могат да бъдат изтеглени, като „фототок“ и използвани за захранване на външна верига..
Ето и още по-интересно предложение. Изследване на шестима химици от Чикагския университет показва възможността за конструиране на нова, супер иновативна система за изкуствена фотосинтеза, която е с цял порядък нагоре по-продуктивна, спрямо предишните изкуствени системи! За разлика от обикновената фотосинтеза, при която се произвеждат въглехидрати от въглероден диоксид и вода, при изкуствената фотосинтеза могат да се произвеждат етанол, метан или други горива.
Това звучи страхотно и въпреки, че има да се измине още много дълъг път, преди методът да се превърне в начин, по който да зареждате колата си всеки ден, той дава на учените нови насоки за изследване. Дори в по-кратки срокове може да се окаже полезен например за по-ефективното производство на други химикали. Учените дори смятат, че могат да опитат да добавят нещо, което системите за изкуствена фотосинтеза досега не са включвали: аминокиселини.
Екипът започва с вид материал, наречен металоорганична рамка (МОР): клас съединения, състоящи се от метални йони, държани заедно от органични свързващи молекули. След това те проектират MOР като един слой, за да осигурят максимална повърхност за химични реакции, и потапят всичко в разтвор, който включва кобалтово съединение за пренасяне на електрони. Накрая добавят аминокиселини и експериментират, за да открият коя от тях работи най-добре.
Те успели да подобрят и двете половини на реакцията: процесът, който разгражда водата, и този, който добавя електрони и протони към въглеродния диоксид. И в двата случая аминокиселините са помогнали реакцията да протече по-ефективно. Дори и при значително подобрените резултати обаче изкуствената фотосинтеза трябва да извърви дълъг път, преди да може да произвежда достатъчно гориво, за да бъде подходяща за широко използване. Погледната спрямо сегашните си възможности, то ефективността и ще трябва да се увеличи с много порядъци, за да се произвежда достатъчно количество метан, за нашата прекалено „гладна за енергия цивилизация“.
Пробив все пак има и след усъвършенстването му, този процес би могъл да се приложи широко и доста успешно при други химични реакции. И освен да произвежда много гориво, то по този път ще могат да се генерират и някои доста ценни иначе молекули, като например изходните материали за производство на скъпи лекарства и продукти.
През март 2023 г. изследователи от Университета за наука и технологии в Китай обявиха за пробив в преобразуването на слънчева енергия в химическа и оптимизиране на фотосинтетичната си система, чрез използване на универсални „ко-катализатори“. Чрез тях е възможно диференциране на преноса на електрони в рамките на различни молекулни орбитали, като по този начин се дава възможност за стартиране на уникален процес на изкуствена фотосинтеза. Чрез този метод в крайна сметка е постигната изключителна висока, рекордна скорост на производство на CH4 чрез двуфазна система газ-твърдо вещество. Резултатът доказва жизнеспособността на използването на нискоенергийни фотони и подобряването на ефективността на използване на слънчевия спектър.
Може да звучи налудничаво – фотосинтеза, брезент, резервоари с катализатори – но учени и експерти вярват, че всичко това може да се превърне в още едно оръжие в арсенала ни срещу изменението на климата, наред с постоянно усъвършенстващите се слънчеви батерии.
В миналото учените са създали рудиментарни системи за изкуствена фотосинтеза, но технологията трябва да бъде по-усъвършенствана, за да оправдае разходите. Така работят повечето научни постижения – преди да се създаде нещо жизнеспособно, може да са необходими десетилетия на спекулации и експерименти.
Едновременно с това много хора работят по усъвършенстването на слънчеви панели, вятърни турбини и други възобновяеми енергийни източници, за да генерират повече енергия. Това не трябва да се разглежда като конкуренция за областта на изкуствената фотосинтеза. Усилията за намаляване на изменението на климата имат много форми и всяка иновация помага.
Например много държави вече създават плаващи слънчеви ферми върху езера и пречиствателни станции, като по този начин максимално се увеличава възможността за улавяне на слънчевата светлина, като се използва и водната енергия. Биодигестерите, които представляват големи резервоари, пълни с течност, съдържаща бактерии, превръщат битовите хранителни отпадъци в метан за готвене в Африка. Няколко държави дори планират да изпратят слънчеви панели директно в орбита около Земята, за да абсорбират постоянно слънчевата светлина, която да се използва за генериране на електроенергия.
Независимо от формата, която приема, възобновяемата енергия е тук и става все по-разпространена. Ако изкуствената фотосинтеза намери своя път, намали цената за производство на самата технология и материали и се наложи пазарно, тя със сигурност ще се възползва от откриващата се ниша и глада за производство и съхранение на енергия – включително за съхранение на водород.
Организирането на толкова много области на изследване е трудна задача, но в крайна сметка общата цел би могла да допринесе за осъществяването на всичко това. В рамките на нашия живот бихме могли да видим свят, доминиран от възобновяеми енергийни източници, в който силата на слънцето се използва по всички възможни начини – без емисии, разбира се. Изкопаемите горива са в ограничено количество и допринасят за изменението на климата, а светът е готов за алтернативни източници на енергия. Изкуствената фотосинтеза може да заеме своето място сред тях. Тя просто трябва да пусне корени.
Иво Цеков е журналист с дългогодишен опит в областта на технологиите с интереси, насочени към киберсигурността, устойчивото развитие и изкуствения интелект.
Завършил е специалност Международни отношения в СУ „Св. Кл. Охридски“, специализирал е в академични и изследователски центрове в Германия, Австрия, Словения и др.
