Eρευνητές του Πανεπιστημίου του Κέιμπριτζ, αξιοποίησαν τη δύναμη της φωτοσύνθεσης – τη διαδικασία με την οποία τα φυτά μετατρέπουν το ηλιακό φως σε ενέργεια – για να μετατρέψουν το CO2, το νερό και το ηλιακό φως σε αιθανόλη και προπανόλη, σε ένα μόνο βήμα.
Αυτά τα καύσιμα έχουν υψηλή ενεργειακή πυκνότητα και μπορούν εύκολα να αποθηκευτούν, να μεταφερθούν και να χρησιμοποιηθούν από οχήματα με κινητήρες εσωτερικής καύσης που κυκλοφορούν σήμερα στους δρόμους του κόσμου.
Αντιγράφοντας τη φύση
Για αρκετά χρόνια, η ερευνητική ομάδα του καθηγητή Erwin Reisner, που εδρεύει στο Τμήμα Χημείας Yusuf Hamied, αναπτύσσει βιώσιμα καύσιμα μηδενικού άνθρακα, εμπνευσμένα από τη φωτοσύνθεση, χρησιμοποιώντας τεχνητά φύλλα.
Μέχρι σήμερα, αυτά τα τεχνητά φύλλα μπόρεσαν να παράγουν μόνο απλές χημικές ουσίες, όπως αέριο σύνθεσης, ένα μείγμα υδρογόνου και μονοξειδίου του άνθρακα που χρησιμοποιείται ευρέως στη χημική βιομηχανία για την παραγωγή καυσίμων, φαρμακευτικών προϊόντων, πλαστικών, λιπασμάτων και άλλων κύριων χημικών όπως η μεθανόλη και η αμμωνία. Αλλά για να γίνει η τεχνολογία πιο πρακτική, θα πρέπει να είναι σε θέση να παράγουν πιο σύνθετες χημικές ουσίες απευθείας, χωρίς την παραγωγή αερίου σύνθεσης.
Αυτό ακριβώς κατάφεραν οι ερευνητές του Πανεπιστημίου του Κέιμπριτζ με το τεχνητό φύλλο τους να μπορεί να παράγει απευθείας καθαρή αιθανόλη και προπανόλη χωρίς να χρειάζεται το ενδιάμεσο βήμα της παραγωγής αερίου σύνθεσης.
Το τεχνητό φύλλο που κατασκεύασαν, αποτελείται από πολλαπλά στρώματα χαλκού, γυαλιού ασημιού και γραφίτη και περιέχει απορροφητές φωτός, οι οποίοι μιμούνται τις βιοχημικές διεργασίες οι οποίες εκτελούνται στο εσωτερικό ενός φύλλου, και πιο συγκεκριμένα τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης.
Η φωτοσύνθεση συμβαίνει στα φύλλα των φυτών και επιτρέπει την παραγωγή ενέργειας με τρία συστατικά τα οποία συναντώνται στη φύση: τον ήλιο, το νερό και το διοξείδιο του άνθρακα. Ωστόσο, στα φύλλα συγκεκριμένα μόρια και βιοχημικά μονοπάτια αναλαμβάνουν την αποθήκευση της ηλιακής ενέργειας και την αξιοποίησή της για τη μετατροπή των άλλων δύο συστατικών σε μόρια τα οποία παρέχουν την απαραίτητη ενέργεια στο φυτό.
Για να μιμηθούν αυτά τα μόρια, οι επιστήμονες ενσωμάτωσαν στη συσκευή απορροφητές φωτός, οι οποίοι είναι κατασκευασμένοι από περοβσκίτη, ένα πέτρωμα το οποίο χρησιμοποιείται τα τελευταία χρόνια για την κατασκευή υλικών τα οποία αποθηκεύουν αποδοτικά ηλιακή ενέργεια.
Οι απορροφητές φωτός μαζί με έναν καταλύτη με βάση τον χαλκό και το παλλάδιο, που λειτουργεί παρόμοια με τη χλωροφύλλη, επιτρέπουν τη μετατροπή του CO2 σε αιθανόλη και προπανόλη, ενώ ταυτόχρονα χάρη στο φως του ηλίου μετατρέπουν το νερό σε οξυγόνο.
Παραγωγή καυσίμου με ένα βήμα
Ενώ και άλλοι επιστήμονες μπόρεσαν να παράγουν παρόμοιες χημικές ουσίες χρησιμοποιώντας ηλεκτρική ενέργεια, αυτή είναι η πρώτη φορά που τέτοιες πολύπλοκες χημικές ουσίες έχουν παραχθεί με τεχνητό φύλλο χρησιμοποιώντας μόνο την ενέργεια από τον ήλιο.
Το να λάμπει το φως του ήλιου στα τεχνητά φύλλα και να δημιουργούμε υγρό καύσιμο από διοξείδιο του άνθρακα και νερό είναι ένα καταπληκτικό κομμάτι χημείας.
Κανονικά, όταν προσπαθείτε να μετατρέψετε το CO2 σε άλλο χημικό προϊόν χρησιμοποιώντας μια συσκευή τεχνητών φύλλων, λαμβάνετε σχεδόν πάντα μονοξείδιο του άνθρακα ή αέριο σύνθεσης, αλλά εδώ, καταφέραμε να παράγουμε ένα πρακτικό υγρό καύσιμο χρησιμοποιώντας τη δύναμη του ηλίου. Είναι μια συναρπαστική πρόοδος που ανοίγει εντελώς νέους δρόμους στη δουλειά μας,
δήλωσε ο Δρ Motiar Rahaman που συμμετέχει στην ομάδα των ερευνητών.
Δεν απαιτούν χρήση γεωργικής γης
Σε αντίθεση με τα ορυκτά καύσιμα, αυτά τα ηλιακά καύσιμα παράγουν καθαρές μηδενικές εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα και είναι πλήρως ανανεώσιμα, και σε αντίθεση με τη βιοαιθανόλη, δεν απαιτούν τη χρήση γεωργικής γης για την παραγωγή τους.
Ενώ η τεχνολογία βρίσκεται ακόμα σε εργαστηριακή κλίμακα, οι ερευνητές λένε ότι τα τεχνητά φύλλα τους είναι ένα σημαντικό βήμα στη μετάβαση από μια οικονομία που βασίζεται στα ορυκτά καύσιμα.
Η βιοαιθανόλη διαφημίζεται ως καθαρότερη εναλλακτική της βενζίνης, καθώς παρασκευάζεται από φυτά αντί ορυκτών καύσιμων. Τα περισσότερα αυτοκίνητα στο δρόμο σήμερα, κινούνται με βενζίνη που περιέχει έως και 10% αιθανόλη (καύσιμο E10). Οι Ηνωμένες Πολιτείες είναι ο μεγαλύτερος παραγωγός βιοαιθανόλης στον κόσμο και σύμφωνα με το Υπουργείο Γεωργίας των ΗΠΑ, σχεδόν το 45% του συνόλου του καλαμποκιού που καλλιεργείται στις ΗΠΑ χρησιμοποιείται για την παραγωγή αιθανόλης.
Τα βιοκαύσιμα όπως η αιθανόλη είναι μια αμφιλεγόμενη τεχνολογία, κυρίως επειδή καταλαμβάνουν γεωργική γη που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την καλλιέργεια τροφίμων,
δήλωσε ο καθηγητής Erwin Reisner, ο οποίος ηγήθηκε της έρευνας.
Μηδενικό οικολογικό αποτύπωμα
Ένα από τα μεγάλα πλεονεκτήματα αυτής της τεχνολογίας είναι ότι το αποτύπωμά της σε διοξείδιο του άνθρακα, δηλαδή το ποσό του διοξειδίου του άνθρακα το οποίο εκλύεται κατά τη λειτουργία της συσκευής, είναι μηδενικό, τη στιγμή που οι τεχνολογίες παραγωγής ενέργειας οι οποίες χρησιμοποιούνται μέχρι στιγμής έχουν μεγάλο αποτύπωμα διοξειδίου του άνθρακα.
Μάλιστα, όπως σημειώνουν οι ερευνητές, η συσκευή αυτή είναι σε θέση να λειτουργεί και τις μέρες οι οποίες δεν είναι ηλιόλουστες. Αυτό σημαίνει ότι η χρήση αυτής της τεχνολογίας δεν περιορίζεται στις θερμές χώρες ή κατά τη διάρκεια των θερμών μηνών.
Στόχος η ευρεία παραγωγή
Προς το παρόν, τα τεχνητά φύλλα των ερευνητών του Πανεπιστημίου του Κέιμπριτζ, είναι ένα πρωτότυπο που έχει μέτρια απόδοση. Οι ερευνητές εργάζονται για να βελτιστοποιήσουν τους απορροφητήρες φωτός ώστε να μπορούν να απορροφούν καλύτερα το ηλιακό φως και να βελτιστοποιήσουν τον καταλύτη ώστε να μετατρέπει περισσότερο ηλιακό φως σε καύσιμο. Απαιτείται επίσης περαιτέρω έρευνα για να καταστεί η συσκευή κλιμακούμενη, έτσι ώστε να μπορεί να παράγει μεγάλες ποσότητες καυσίμου.
Αν και υπάρχει ακόμα δουλειά που πρέπει να γίνει, δείξαμε τι μπορούν να κάνουν αυτά τα τεχνητά φύλλα. Είναι σημαντικό να δείξουμε ότι μπορούμε να προχωρήσουμε πέρα από τα απλούστερα μόρια και να δημιουργήσουμε πράγματα που είναι άμεσα χρήσιμα καθώς απομακρυνόμαστε από τα ορυκτά καύσιμα,
είπε ο Reisner.