26 Апреля 2018

Искусственный фотосинтез - что собой представляет, перспективы и особенности

Опубликовал К.В. Кулик

         Солнечная энергетика является неоспоримым лидером на рынке будущих востребуемых энергетических ресурсов. Производимая посредством её аккумулироания и механических преобразований энергия сравнительно более дешевая и прибыльная, чем та энергия, которую получает при горении традиционных и устоявшихся видов топлив как уголь и газ. Нельзя сказать, что стоимость такого вида энергии так уж низка, однако, на перспективу именно такой ресурс имеет существенные преимущества перед остальными. Особенно стоит выделить её универсальность и простоту получения, по сравнению опять же с другими видами топлива.

         Солнечную энергию не надо добывать в том привычном для нас смысле слова. Она даёт нам тепло и свет посредством преобразований, для которых нужно иметь только соответствующую аппаратуру и подходящие погодные условия. Это делает её не только выгодной в плане получения, но и более привлекательной. В солнечной энергетике очень важна экономическая и техническая грамотность специалистов, ведущих проектирование и установку коллекторов. При правильном подходе можно получить впечатляющие результаты окупаемости и производительности таких установок. Их довольно легко по сравнению с другими энергетическими объектами адаптировать и приспособить как подкрупный объект, так и под малый. Солнечный свет более распространён, чем остальные энергетические ресурсы, которые надо выкапывать, перерабатывать, разлагать на составляющие или синтезировать. Поэтому будущее солнечной энергетики стол ярко и многообещающе по сравнению с другими развивающимися отраслями нетрадиционных источников энергии.

         Развитие данных технологий перешло в своеобразный прорыв. Немногие люди поверят в то, что энергия может получается практически из воздуха, и приносить также прибыль. Однако, такая технология существует, и хотя она не очень известна по сравнению с альтернативной энергетикой более привычного склада, как ветровые и солнечные установки, однако её перспективы весьма и весьма существенны. Суть данного инновационного решения заключается в том, что солнечная энергия получается не только с помощью коллекторов и батарей, а с использованием искусственного фотосинтеза.

         Технология его получения такова, что фотосинтез искусственно имитируется. В природе процесс фотосинтеза стимулируется солнечным светом и с его помощью мы получаем такие соединения, как водород, углерод и кислород. Они образуются в процессе воздействия солнечного света, разделяя воду и углекислый газ.

         Это позволяет нам получить химические вещества и также столь востребованную энергию.

         Одной из ценных составляющих является производство водорода. Он также может использоваться в энергетических циклах в качестве топлива. Для искусственного фотосинтеза не понадобятся тяжёлые и массивные элементы, как для солнечных батарей.

         Самой большой проблемой является экономическая выгода применения такой технологии такая как низкая эффективность осуществляемого химического преобразования. Для такого процесса его  КПД равен 1%. Разумеется, такой уровень ничто для того, чтобы такие технологии были востребованы. Такой коэффициент КПД характерен для естественного фотосинтеза, а для искусственного он составляет уже практически 10% в лабораторных исследованиях.

         Исследования ИФ учёными из Мельнбургского университета позволили поднять эффективность фотосинтеза производимого искусственным путём до 22%.  Для протекания такого процесса солнечный электрический ток проходил через воду, отделяя гидрогеновый состав. Аккумулирование энергии при помощи водорода высокоэффективно, потому что он недорогой и эффективен в энергетике, причём выгодно используется в быту.

         Водородное аккумулирование вырабатываемой солнечной энергии является недорогим и выгодным в быту. Процесс фотосинтеза может быть более эффективным, если для его протекания использовать неочищенную воду рек. Это придаёт такой технологии некоторой универсальности и позволит размещать необходимое оборудование в разных местах.

         Углероды, которые образуются при протекании искусственного фотосинтеза включают метанол –простейшее углеродное соединение, используемое для ДВС. Применяет данный углерод в своих новейших разработках Китай, подмешивая метанол в бензин в небольших концентрациях. Такое топливо используется в легковых и грузовых автомобилях, и его можно купить на автозаправочных станциях. Производство метанола а также его потребление в Китае только растёт. Смешивание метанола и бензина для нефтеперерабатывающих установок означает увеличение спроса на топливо. В сравнении с бензином метанол имеет половинную от него энергетическую ценность, то есть даст всего 50% той энергии, которую может дать бензин того же объёма, но наряду с этим всё же выступает прекрасной альтернативой традиционным видам топлива. Другие страны также задумываются о внедрении метанола в качестве топлива для автомобилей.

         Расщепление воды электрохимическим методом является недорогим и экологически привлекательным видом производства водорода, немалым плюсом которого является его стабильность.

         Растениями фотосинтез осуществляется двухэтапно. Для начала при помощи солнечной энергии происходит окисление, при котором отбираются электроны молекул воды. Затем происходит восстановление посредством тех же самых электронов, и восстанавливается углекислый газ, а также образуются органические соединения. У первой реакции существует название световая, а вторая именуется темновой. Самой главной проблемой понимания процесса фотосинтеза является то, что процесс световой реакции не до конца понятен, так как ранее не до конца было понятно строение структуры молекулы во время реакции передачи электронов с молекулы воды на молекулу хлорофилла.

         Иными словами, исследования целенаправленно ведутся в том направлении, чтобы обеспечить тот эффективный и выгодный катализатор для окислительной реакции воды и для восстановления углекислого газа. Также при этом должен использоваться видимый спектр солнечных лучей, но не ультрафиолет.

       Изучение искусственного фотосинтеза

         Основу фотосинтеза изучают множество научных лабораторий по всему миру для того, чтобы воспроизвести его в цикле большой промышленности. Расщепление воды посредством электрической энергии имеет нераскрытый потенциал. Энергоёмкость данного процесса тормозит его развитие в качестве конкурентоспособной альтернативы традиционным видам энергетики. Процесс фотосинтеза, который синтезируется искусственно трудоёмок и энергозатратен для того, чтобы послужить прекрасной заменой устоявшимся процессам. Такими изучениями в этой области предполагается дойти до того поворотного момента, когда человечество наконец научится максимально рационально внедрить данную технологию.  Промышленная технология искусственного фотосинтеза имеет большое будущее при условии её полного развития на всех направлениях.

         В отличие от коллекторов солнечной энергии в случае с установкой для искусственного фотосинтеза мы имеем более сложное и дорогостоящее устройство. Оно включает в себя сложные белковые элементы, подвергаемые солнечному излучению, к примеру сложные протеины, входящие в состав живых организмов.

         Исследование процессов искусственного фотосинтеза в Гарварде дало основания для того, чтобы в данном процессе вводились метаболические бактерии чтобы создать азотные удобрения не просто как соединение, которым удобряют почву, но непосредственно создаваемые в ней самой. В чём его плюс, так это в том, что оно может применяться в труднодоступных областях, где будет сложно транспортировать иной вид удобрений, однако повышать урожайность всё же необходимо.

         Таким технологиям также есть место в производстве продуктов, ведь помимо топлива и удобрений они вполне могут быть использованы в выработке пластика и лекарств.

         Воспроизведение фотосинтеза в промышленном секторе является обширной и перспективной областью исследований. Для его применения всего лишь необходимо достаточно изучить сам процесс его протекания и выработать правильную технологию его функционирования искусственным методом. Это и есть первоочередная исследовательская задача. В общем и целом это «технология мечты» для мира, в котором нарастают проблемы энергетического и экологического характера, осталось дело за малым – то есть эффективно и правильно всё это применить в промышленном цикле предприятий. Так, в Японии  в  2012году открыто несколько госпроектов для изучения и разработки данной технологии. Чтобы понять всю серьёзность данных намерений достаточно заметить, что ими занимаются министерства культуры, спорта, образования и науки.

         Начальник Центра исследования искусственного фотосинтеза профессор Иноуэ считает, что изучение и распространение данной технологии повлияет на благоприятное положение мира без войн. Он говорит о том, что хотя бы ради этого нужно осуществлять данный технологический прорыв.

         Продукты питания, живые клетки, ископаемые топлива, а также растения и продукты нефтехимической промышленности являются органическими соединениями. Так, к примеру пластмасса является продуктом фотосинтеза растений. Почему роль органических соединений столь велика в нашем мире? Для этого существует масса причин.

         Одним из самых главных аспектов является энергетическая ценность, ведь именно органика копит в себе и содержит столь необходимую и ценную энергию, которую можно выделить посредством сжигания такого топлива. Таким образом, можно заявить о том, что фотосинтез образует вещества, содержащие энергию, посредством света и воды.

         Искусственному фотосинтезу хоть и не в абсолютной точности необходимо повторять такой цикл. Он должен послужить источником недорогих и чистых для окружающей среды полезных веществ и соединений, богатых на энергетический потенциал. Своеобразным сырьём для производства будут солнечный свет, вода и углекислый газ.

         Самое лучшее решение для данного производственного цикла является такое, при котором происходит использование солнечного света. Это объяснимо не столь даже с точки зрения экономической выгодности, но и возобновляемости, а значит круговорота вещества. Когда водород сгорает, то вместе с выделением энергии образуется вода, а когда водород реагирует с углекислым газом, то образуется органика.

       Преимущества искусственного фотосинеза

         Распределение ресурсов, содержащих энергию для того, чтобы быть использованными в качестве топлива, неравномерно. Кроме этого, им грозит исчерпаемость, а возобновить некоторые из них практически невозможно. Или как вариант для этого необходимо огромное количество времени. Поэтому ввиду этого всего особой привлекательностью обладает энергия солнца как источник постоянной дешёвой и возобновляемой энергии. Если не вдаваться в скрупулёзные подробности существования светил такого масштаба, тона практически неисчерпаема и безгранична, а значит имеет смысл глобализация и промышленные масштабы его применения. Все страны и континенты получают его практически в тех же долях вне зависимости от политических и экономических условий.

         Главным плюсом искусственного фотосинтеза является его весьма полезное свойство производства органической материи посредством использования в данной реакции углекислого газа. То есть иными словами есть газ, разрушающий защитный слой атмосферы, и есть способ, который позволит его правильно и с пользой утилизировать с минимумом затрат и без вреда для окружающей среды. Оборот углекислого газа в биосфере таким образом будет регулироваться и держаться под контролем, позволяя не допускать его попадание в разрушительных деструктивных количествах в земную атмосферу. Этим можно оказывать регулирующее воздействие на две волнующие человечество проблемы – энергетический дефицит и глобальное потепление.

         Исследователи, запустившие программы развития искусственного фотосинтеза, понимали всю важность данного перспективного направления технологии. Профессор Иноуэ столкнулся с искусственным фотосинтезом во время того, как был аспирантом. Его областью исследований была инженерия. Он сразу понял, насколько велико и обширно то, что его привлекло, и занялся детальными исследованиями ИФ.

         Расщеплять воду и углекислый газ при помощи солнечного света не так легко, если принять во внимание то условие, при котором необходимо также получить на выходе цикла органическую материю. Также стоит учесть, что данные вещества являются крайне стойкими и стабильными химическими соединениями, что значит то, что их молекулярные преобразования и во собенности разделение весьма тяжелы. Именно поэтому длятся и разрабатываются методы эффективного расщепления молекул под действием солнечного света. В течении многих лет тянутся поиски, не принося пока что столь заметных успехов. Реализация методов порождает пробы, которые часто увенчиваются ошибками, работа над которыми ведётся. В них вносят необходимые поправки для того, чтобы снова пробовать расщеплять молекулы воды и углекислого газа. И пока что результаты данных проб нельзя назвать успешными и довольно удачными.

         Ускорением исследований по такому вопросу усиленно занимается Япония, запустившая разом несколько таких проектов. Они щедро спонсируются государством и самый значительный из них рассчитан на период в десяток лет. Был также основан форум по вопросам искусственного фотосинтеза. В нём принимают участие не только научные деятели и правительственные представители, но и обычные граждане.

         Наряду с исследованиями в Японии, затрачивающей на развитие искусственного фотосинтеза 15 миллиардов иен, огромный бюджет данные исследования получили в США, где им отводится 10 миллиардов долларов. Развитие полагается выполнить в пятилетний срок, а крупная исследовательская база размещена в Калифорнии. Китай и Южная Корея также присоединились к лидерам исследования искусственного фотосинтеза. Набирают обороты исследования ИФ в Евросоюзе. Причиной столь масштабных вложений в развитие данной технологии является настоящий прорыв во всей экономической и энергетической индустрии, которую она произведёт. Это будет совершенно новый этап развития, к которому придёт всё человечество.

         Главным и неоспоримым условием для этого является взаимодействие между всеми отраслями предприятий, потенциально возможно могущими использовать искусственный фотосинтез. Возглавить это следование развитию технологий должно государство, как и вообще весь подход должен осуществляться в основном комплексно. Понадобятся долгосрочные и стратегически продуманные планы, поэтому невозможно будет справиться с этой задачей отдельно взятой структурной единице, например компании. Поэтому популяризацию идеи внедрения и использования искусственного фотосинтеза, а также функцию инвестора должно взять на себя именно государство.

         Помимо всего этого, крайне важно участие общества в развитии исследований, поскольку заинтересованность в данном виде технологий сыграет немалую роль в том, насколько скоро будет достигнуто положительных результатов. Нельзя допустить того, чтобы трудности и неудачи провоцировали разочарование и уверенность в неэффективности перспективного метода, который без преувеличения может перевернуть столь привычный для нас мир.