Sztuczna fotosynteza

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj

Sztuczna fotosynteza – pojęcie, które ogólnie obejmuje "skopiowanie" naturalnego procesu fotosyntezy, a także związane z tym badania, w celu otrzymania wysokoenergetycznych związków chemicznych z dwutlenku węgla i wody przy udziale energii słonecznej[1], czasami także pod pojęciem tym rozumiany jest rozkład wody na wodór i tlen za pomocą energii słonecznej[2][3]. Termin dotyczy także starań naukowców, aby otrzymać z dwutlenku węgla i wody w reakcji sztucznej fotosyntezy płynne paliwo[4]. Dla zapoczątkowania reakcji sztucznej fotosyntezy konieczne jest dostarczenie energii z zewnątrz, np. odnawialnej energii słonecznej lub energii wiatru[5].

Fotosynteza w liściu miłorzębu; z CO2 pochłanianego przez liść z atmosfery i H2O pobieranej z ziemi korzeniami, dzięki energii promieniowania słonecznego i przy udziale chlorofilu powstaje w roślinie C6H12O6 i O2, który zostaje wydzielony do środowiska naturalnego

Sztuczna fotosynteza jest wzorowana na zjawisku fotosyntezy zachodzącej w komórkach roślin, gdzie z wody i CO2 za sprawą energii światła słonecznego powstają użyteczne biologicznie węglowodany (na przykład glukoza), służące jako źródło energii lub materiał do syntezy innych związków organicznych (białek i tłuszczów), a jako produkt uboczny zostaje wydzielony do atmosfery O2[6]. Kluczową rolę w fotosyntezie odgrywają fotoukłady – połączenie białek i absorbujących światło barwników, dzięki którym możliwa jest zamiana światła słonecznego w energię. Fotosynteza umożliwiła życie na Ziemi zwierzętom, które oddychają tlenem i odżywiają się pożywieniem opartym na organicznych związkach węgla[6].

Wizję odtworzenia fotosyntezy, czyli największej tajemnicy roślin, zastąpienia kominów szeregami czystych probówek i roślin jako niewyczerpalnego źródła trwałej energii przedstawił w 1912 roku na łamach czasopisma naukowego "Science" włoski chemik Giacomo Ciamician[7]. Od lat 70. XX wieku zaczęło wzrastać zainteresowanie sztuczną fotosyntezą[8]. W dzisiejszych czasach naukowcy uważają, że odtworzenie fotosyntezy w warunkach laboratoryjnych i wypracowanie ekonomicznych metod na skalę przemysłową rozwiązałoby kryzys energetyczny[8] i zaspokoiło zapotrzebowanie na energię[6].

Opracowanie konceptu sztucznej fotosyntezy dawałoby bowiem możliwość produkowania elektryczności[6], wodoru lub innego paliwa (metan, etanol)[8], które mogłoby być wykorzystywane jako napęd do samochodów, a ponadto pozwalałoby na utylizowanie nadmiaru CO2 z atmosfery[9], do którego doszło wskutek spalania paliw kopalnych jako źródła energii[6]. Naukowcy mają też nadzieję, że sztuczna fotosynteza okaże się bardziej ekonomiczna i zastąpi inną, alternatywną metodę produkcji wodoru opartą na elektrolizie wody przy użyciu energii z baterii słonecznych[6].

Układy do sztucznej fotosyntezy chociaż będą naśladować fotosyntezę, to jednak nie będą wyglądem przypominać roślin[6]. Światło słoneczne będzie najprawdopodobniej absorbowane przez metale tj. ruten i żelazo, zaś centrum reakcji będzie opierało się na manganie[6].

Badania naukowe[edytuj | edytuj kod]

W badaniach naukowych nad procesem sztucznej fotosyntezy współpracują ze sobą naukowcy z różnych dziedzin: biolodzy molekularni, biofizycy, biochemicy, fizycy chemiczni, specjaliści z chemii metaloorganicznej, technologii chemicznej, biotechnologii, inżynierii genetycznej i specjaliści różnych rodzajów zaawansowanych metod spektroskopowych (w tym EPR) – jest to projekt interdyscyplinarny[10].

Wodór jako paliwo[edytuj | edytuj kod]

W celu wyprodukowania wodoru (paliwo przyjazne dla środowiska naturalnego, przy jego spalaniu lub stosowaniu w ogniwie paliwowym powstaje wyłącznie woda) z wody i energii światła słonecznego (tanie, łatwo dostępne, odnawialne i niewyczerpywane źródła), w warunkach sztucznie stworzonych przez człowieka, bada się dwie metody[10]:

U organizmów fotoautotroficznych enzym katalizujący reakcję rozdziału wody zawiera chlorofil, a jego struktura i zachodzące procesy są wciąż odkrywane i opisywane. Szwedzkim naukowcom udało się stworzyć nieorganiczny kompleks rutenu i manganu, który zastąpił chlorofil i prowadził do otrzymania 4 wolnych elektronów, jak to ma miejsce w naturze[7].

Naukowcy badają proces fotosyntezy glonów, aby otrzymane rezultaty wykorzystać do opracowania procesu sztucznej fotosyntezy. Biotechnolodzy usiłują tak zmodyfikować DNA glonów, aby te oddawały więcej wodoru. Wydajność "kopiowania" fotosyntezy i uzysku energii za pośrednictwem glonów w fotobioreaktorach jest znacznie wyższa niż z roślin naczyniowych. W ogólnej kalkulacji kosztów będzie ona jednak bardzo niska w stosunku do organicznych, polimerowych ogniw fotowoltaicznych. Pomimo tego naukowcy idą w kierunku wykorzystania glonów do produkcji i magazynowania przez nie tłuszczy, a także skrobi i celulozy aby je wykorzystać do produkcji biopaliw[7]. Jest to działanie najlepiej ekonomicznie uzasadnione, koniecznością szybkiej utylizacji toksycznych i długo zalegających w środowisku odpadów biologicznych i spalin kotłowych. Ich ogromne objętości i zasoby energetyczne mogą być racjonalniej zagospodarowane z udziałem fotosyntetyzujących mikro-glonów.

Sztuczna błona komórkowa[edytuj | edytuj kod]

Trwają także eksperymenty nad wytworzeniem sztucznej błony, przez którą przechodzące cząsteczki wody ulegałyby pod wpływem światła słonecznego rozkładowi do tlenu i wodoru[7].

Poszukuje się nie tylko katalizatora, który inicjowałby oraz przyspieszał reakcję rozdziału wody pod wpływem fotonów, ale także receptora, który byłby w stanie wychwytywać i zatrzymywać uwolnione elektrony[7].

Elektryczność z promieniowania słonecznego[edytuj | edytuj kod]

Przedmiotem badań jest również możliwość przetworzenia promieniowania słonecznego w energię elektryczną. Pracującym nad tym zagadnieniem chińskim naukowcom udało się opracować nano-rurki węglowe, dzięki którym możliwe stało się odtwarzanie systemu reakcji, w której bierze udział jednocześnie wiele elektronów, do którego zalicza się fotosynteza, albowiem tylko układy wieloelektronowe są w stanie dostarczyć wystarczającą ilość energii do produkcji węglowodanów. Dotychczasowe systemy były w stanie wytworzyć i zaabsorbować tylko 1 elektron w tym samym czasie. Krótkie nano-rurki węglowe o pojedynczej ścianie, które zawierają 32 atomy węgla, stanowią układ wieloelektronowy, będący w stanie zabsorbować 32 elektrony (1 elektron przez 1 atom) i mogą pełnić funkcję absorbowania i magazynowania wolnych elektronów w procesie sztucznej fotosyntezy[9].

Sztuczny układ naśladujący fotosyntezę musi składać się z donora elektronów (cząsteczki, która po pochłonięciu światła widzialnego jest zdolna do uwalniania elektronów) oraz akceptora elektronów (cząsteczki, która jest w stanie przyjąć elektrony od innych cząsteczek i zmagazynować je), np. nano-rurki węglowe[9].

Nie są znane małe cząsteczki, które uwalniałyby dużą liczbę elektronów po zaabsorbowaniu światła widzialnego, cząsteczki ftalocyjanin uwalniają jedynie pojedynczy elektron[9].

Doświadczalny układ wieloelektronowy złożony z jednej nano-rurki węglowej o długości 1 μm (akceptor) i 120 cząsteczek ftalocyjanin osadzonych kowalencyjnie (donor), byłby w stanie zmagazynować około 25% uwolnionych elektronów. Te elektrony mogły teoretycznie także posłużyć do przemiany chloroplastowego NADP w NADPH, który służy do redukowania CO2 i syntezy węglowodanów[9].

Złoty liść[edytuj | edytuj kod]

Zespół inżynierów chemicznych Kanne Jenningsa i Petera Ciesielskiego z Vanderbilt University w Nashville skonstruował tzw. złoty liść (Gold leaf lub Cyborg leaf), opierając się na wcześniejszym eksperymencie Eliasa Greenbauma, który dowiódł, że kompleks białkowy wyizolowany z liści szpinaku (nazwany PS I) pozostawał aktywny po unieruchomieniu na płytce złota. Wyizolowane kompleksy z roślin umieszczono na cienkich złotych płytkach. Przy dostępie światła słonecznego kompleksy PS I generowały wolne elektrony, które przechodziły do złotej płytki i następnie mogły zostać pobrane jako prąd elektryczny. Proces nie jest ekonomiczny, nie dorównuje wydajnością krzemowym bateriom słonecznym, ale naukowcy pracują nad dalszym udoskonaleniem możliwości przemiany energii promieniowania słonecznego za pomocą substancji roślinnych[12].

Sztuczna fotosynteza Nazimka[edytuj | edytuj kod]

Technologia sztucznej fotosyntezy opracowana przez zespół pod kierownictwem Dobiesława Nazimka polega na syntezowaniu metanolu z wody i dwutlenku węgla przy udziale katalizatorów i głębokiego promieniowania ultrafioletowego (fotokatalityczna konwersja)[13].

Równanie reakcji sztucznej fotosyntezy Nazimka[14]:

2 CO2 + 4 H2O → 2 CH3OH + 3 O2

Reakcja przebiega w dwóch etapach[14]:

  • I etap – aktywacja i akumulowanie energii
  • II etap – aktywacja i reakcja cząsteczek na powierzchni katalizatora

Profesor Nazimek podkreślił w wywiadzie, że zespołowi pod jego kierownictwem udało się wypracować najefektywniejsze warunki do przeprowadzania procesu sztucznej fotosyntezy, znaleźć odpowiedni katalizator i wydajne źródło fotonów w zakresie UV[15]. W efekcie zastosowania innowacji technicznych stężenie metanolu w końcowym produkcie wynosi 15%[15]. Został złożony wniosek o uzyskanie patentu, z czym wiąże się 18-miesięczny zakaz publikacji prasowych ujawniających dalsze szczegóły. Dopiero po opatentowaniu zostanie udostępniona pełna dokumentacja, która pozwoli innym naukowcom zapoznać się i dokonać recenzji odkrycia[15].

Nad możliwością produkowania paliwa z dwutlenku węgla i wody w procesie sztucznej fotosyntezy pracują także naukowcy pod patronatem departamentu energetyki USA, którzy doskonalą proces fotooksydacji wody, czyli rozdziału cząsteczek wody do O2, protonów H+ i wolnych elektronów, które z kolei umożliwiają (redukcję) CO2 i w ten sposób zapewniają tworzenie cząsteczek paliwa (metanolu). Reakcja przebiega przy udziale katalizatora, którym są nanokryształy tlenku kobaltu (Co3O4)[4].

Uzyskanie paliwa[edytuj | edytuj kod]

Używając metody separacji termicznej izoluje się otrzymany metanol, aby następnie poddać go syntezie MTG (z metanolu w benzynę) i otrzymać syntetyczne węglowodory – czyste paliwo o liczbie oktanowej 108[16] (na podstawie wyjaśnień profesora chemii Dobiesława Nazimka, kierownika Zakładu Chemii Środowiskowej lubelskiego Uniwersytetu Marii Skłodowskiej-Curie)[16].

Koszty produkcji[edytuj | edytuj kod]

Według obliczeń wynalazcy i jego współpracowników proces jest endotermiczny, a produkcja 1 kilomola (32 kg) metanolu z CO2 i H2O wymaga 586 MJ energii[13][14]. Autorzy szacują koszt wytworzenia litra metanolu na 0,09–0,11 złotego, obecnie znane metody produkcji 1 litra metanolu wynoszą około 0,40 zł/l[13]. W użytym do przeprowadzania doświadczeń fotoreaktorze o średnicy 4 centymetrów i długości 50 cm, w którym CO2 przepływa z prędkością 370 dm 3/h wydajność produkcyjna wynosi 544 gramy metanolu/h[13]. Całkowita ilość energii elektrycznej potrzebna do wyprodukowania 1 dm³ metanolu wynosi 0,75 kWh[14].

Wpływ na środowisko[edytuj | edytuj kod]

Metoda otrzymywania metanolu z dwutlenku węgla jest bezpieczna dla środowiska naturalnego i pozwalałaby na zmniejszenie jego emisji do atmosfery szacunkowo o 25%[17]. Pozytywną opinię na temat powyższego przedsięwzięcia wyraził publicznie Wojciech Stępniewski z WWF Polska[16].

Zakłady Azotowe w Kędzierzynie-Koźlu wykazały zainteresowanie wykorzystaniem emitowanego CO2 do produkcji metanolu[5].

Kwestie polityczno-gospodarcze[edytuj | edytuj kod]

Prawdopodobnie pieniądze na wdrożenie technologii fotosyntezy pochodzić będą z unijnego programu "Innowacyjna gospodarka"[18][19][20]. Koszt wdrożenia projektu szacuje się na 100 mln zł w ciągu trzech lat[21]. Naukowcom udało się wzbudzić zainteresowanie projektem u ministra gospodarki Waldemara Pawlaka[18].

Krytyka[edytuj | edytuj kod]

Krytycy profesora Nazimka wskazują, że proces, przynajmniej w dotychczasowej postaci przedstawionej przez pomysłodawcę, nie ma uzasadnienia ekonomicznego, a jego reklamowanie w mediach jest oszustwem ukierunkowanym na zdobycie dotacji[22][23]. Przedstawione przez krytyków wyliczenia wskazują, że cena litra benzyny uzyskanej tą metodą wynosiłaby co najmniej kilkadziesiąt złotych. Jedną z przyczyn rozbieżności w kalkulacjach jest fakt, że w odróżnieniu od naturalnego procesu fotosyntezy z użyciem światła słonecznego, metoda profesora Nazimka wymaga wysokoenergetycznego promieniowania ultrafioletowego, co pociąga za sobą konieczność użycia mało wydajnych lamp zasilanych prądem z elektrowni, a w polskich realiach – prądem z elektrowni węglowych.

W efekcie wyciągnięcie z atmosfery 1 kg CO2 wymagałoby wcześniejszego wyemitowania w elektrowni 3 kg CO2, przez co całkowity bilans jest niekorzystny nie tylko z ekonomicznego, ale również z ekologicznego punktu widzenia[22].

Przypisy

  1. Thomas J. Meyer. Chemical approaches to artificial photosynthesis. „Acc. Chem. Res.”. 22 (5), s. 163–170, 1989. doi:10.1021/ar00161a001 (ang.). 
  2. Artificial Photosynthesis Allen J. Bard i Marye Anne Fox, Department of Chemistry and Biochemistry, University of Texas at Austin, 26 November 1994 (ang.)
  3. Alstrum-Acevedo JH., Brennaman MK., Meyer TJ. Chemical approaches to artificial photosynthesis. 2.. „Inorganic chemistry”. 20 (44), s. 6802–27, październik 2005. doi:10.1021/ic050904r. PMID 16180838 (ang.). 
  4. 4,0 4,1 Artificial Photosynthesis – Turning Sunlight into Liquid Fuels Moves a Step Closer in ScienceDaily, 12 March 2009 (ang.)
  5. 5,0 5,1 Cool Proposal – Open initiative for solving the climate crisis (ang.)
  6. 6,0 6,1 6,2 6,3 6,4 6,5 6,6 6,7 Energy Bulletin Philip Hunter The Promise of Artificial Photosynthesis, 14 May 2004 in "Prosper Magazine" (ang.)
  7. 7,0 7,1 7,2 7,3 7,4 People Planet Profit Plant haalt energie uit water en zonlicht (niderl.)
  8. 8,0 8,1 8,2 InfoChem – Education in Chemistry Plant Power – artificial photosynthesis tomorrow's energy? Student Supplemnt Issue 111 July 2008 (ang.)
  9. 9,0 9,1 9,2 9,3 9,4 NewScientist Nanotubes bring artificial photosynthesis a step nearer (ang.)
  10. 10,0 10,1 The Swedish Consortium for Artificial Photosynthesis Uniwersytet w Uppsali (ang.)
  11. Microalgal hydrogen production,
  12. NewScientist Cyborg leaf makes working solar power plant (ang.)
  13. 13,0 13,1 13,2 13,3 Green Car Congress (ang.)
  14. 14,0 14,1 14,2 14,3 Artificial photosynthesis – presentation of technology (ang.)
  15. 15,0 15,1 15,2 Czy CO2 zrobi z Polski drugi Kuwejt? w WNP "Portal Gospodarczy" na podstawie wywiadu z prof. Nazimkiem w "National Geographic" nr 3/2009
  16. 16,0 16,1 16,2 Benzyna z dwutlenku węgla to nie science fiction
  17. Gasoline from carbondioxide is not science fiction (ang.)
  18. 18,0 18,1 Paliwo napędza nadzieję
  19. Elektrownie zainteresowane paliwem z CO2
  20. Tego jeszcze nie było! Będziemy tankować paliwo z dwutlenku węgla
  21. Koszt projektu wyniesie w ciągu trzech lat 100 mln zł
  22. 22,0 22,1 LIST, Loch Ness pełne metanolu
  23. Benzyna z dwutlenku węgla - tak, po stówie za litr!

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]