W ciągu tylko jednej godziny do Ziemi dociera ze Słońca tyle energii, ile zużywamy przez cały rok. Nie potrafimy jednak z niej skorzystać – cały czas nasza cywilizacja opiera się na paliwach kopalnych, których zasoby się wyczerpują, a spalanie zatruwa atmosferę. Paliwa kopalne też są formą energii słonecznej – przetworzonej najpierw przez pradawne rośliny, a potem przez procesy geologiczne – ale bardzo mało efektywną. Bezpośrednie wykorzystanie promieni słonecznych to święty Graal współczesnej energetyki.
Wydawało się, że został znaleziony, gdy powstały ogniwa fotowoltaiczne (czyli baterie słoneczne). Na razie jednak nie spełniają pokładanych w nich nadziei. Są zbyt drogie, by można je było stosować na wielką skalę. Problem stanowi też magazynowanie energii, która powstaje w dzień, ale jest potrzebna głównie po zmroku; akumulatory do baterii słonecznych zajmują dużo miejsca, ich produkcja i utylizacja to obciążenie dla środowiska.
A dlaczego by nie zainspirować się fotosyntezą – wynalazkiem opracowanym przez ewolucję miliardy lat temu? Zbudowanie urządzeń zdolnych do przeprowadzenia sztucznej fotosyntezy pozwoliłoby nam – wzorem roślin – wykorzystywać energię słoneczną na masową skalę.
Prąd kontra paliwo
Rośliny produkują w czasie fotosyntezy glukozę – uniwersalne „paliwo” dla komórek. Kluczową rolę w tym procesie odgrywa światłoczuły barwnik – chlorofil. Pochłania on fotony ze światła widzialnego, które wymuszają ruch elektronów w jego strukturze. Chlorofil wykorzystuje to, by rozszczepić cząsteczkę wody na tlen i jony wodorowe. Te drugie są potem wykorzystywane w trakcie skomplikowanych reakcji (w których bierze udział m.in. dwutlenek węgla) do wytworzenia glukozy.
Naukowcy nie próbują po prostu skopiować tego procesu. Raz, że byłoby to technicznie niewykonalne przy dzisiejszym poziomie wiedzy, a dwa, że dla naszych zastosowań glukoza jest mało wygodnym paliwem.
Dlatego badacze wpadli na wygodniejsze rozwiązanie, zwane sztucznym liściem. Pracują nad nim laboratoria na całym świecie. Europa prowadzi międzynarodowy projekt EuroSolarFuels, w USA powstało konsorcjum Joint Center for Artificial Photosynthesis, skupiające wiodące ośrodki naukowe. W pracach tych swój udział mają też polscy uczeni. „Aby ujarzmić słoneczną energię, najlepiej jest zgromadzić ją w postaci chemicznych wiązań w paliwie” – mówi prof. Joanna Kargul, kierownik Laboratorium Paliw Słonecznych na Wydziale Biologii Uniwersytetu Warszawskiego, które uczestniczy w programie EuroSolarFuels.
„Dziś energia słoneczna często jest pozyskiwana w sposób scentralizowany. Buduje się wielkie elektrownie, z których prąd jest przesyłany do domów. Uważam, że przyszłość należy do zdecentralizowanej energetyki – chodzi o to, żeby każdy mógł wytworzyć prąd na własne potrzeby. Dlatego pracujemy nad sztucznym liściem, ale jest to tak nowy wynalazek, że nie wiemy jeszcze jak będziemy go używać na co dzień”.
prof. Daniel Nocera, Harvard University
Podlewane brudną wodą
Największe sukcesy uzyskano do tej pory, naśladując pierwszy etap fotosyntezy – rozszczepianie wody na wodór i tlen. Tak działa m.in. wynalazek prof. Daniela Nocery, pracującego obecnie na Harvard University. Po ponad 20 latach badań opracował on płytkę zawierającą krzemowy półprzewodnik i katalizator. Wystarczy wrzucić ją do wody i wystawić na światło, aby zaczęła intensywnie wydzielać pęcherzyki tlenu i wodoru. Można je wykorzystać w ogniwie paliwowym, które powoli „spala” te gazy, produkując elektryczność.
Kluczową innowacją było tu znalezienie odpowiedniego katalizatora. Do niedawna do takiej produkcji wodoru niezbędna była kosztowna platyna.
Udało się z niej zrezygnować, a katalizator w sztucznym liściu potrafi sam naprawiać naturalne uszkodzenia, jakie zachodzą w nim w czasie pracy. Prof. Nocera twierdzi, że jego układ może pracować nawet w brudnej wodzie i przeprowadził testy, wykorzystując rzekę płynącą niedaleko jego laboratorium.
Wydajność energetyczna sztucznego liścia wynosi 4,7 proc. – taki odsetek energii słonecznej jest zamieniany na energię chemiczną, którą można uzyskać z wodoru. Może się wydawać, że to niewiele, ale naturalna fotosynteza osiąga zaledwie 0,2 proc.! „Dowiedliśmy, że możemy stworzyć coś bardziej wydajnego niż to, co zaprojektowała przyroda. Chcemy obniżyć koszty pozyskiwania energii słonecznej tak, aby mogli sobie na nią pozwolić także mieszkańcy krajów rozwijających się. Aby zapewnić prąd potrzebny do funkcjonowania niewielkiego domu w Indiach, potrzebny byłby sztuczny liść o powierzchni mniej więcej takiej jak zwykłe drzwi” – wyjaśnia prof. Nocera. Do działania potrzebne mu będzie tylko słońce i trochę wody. „Wystarczyłoby kilka butelek dziennie” – wyjaśnia prof. Kargul.
Urządzenie prof. Nocery było prawie gotowe do wprowadzenia na rynek. Miała się tym zająć firma Sun Catalytix, w której udziały ma indyjski koncern Tata Group. Jednak okazało się, że aby jego produkcja była opłacalna, sztuczny liść musi mieć jeszcze większą wydajność. Jeśli prąd z ogniwa fotowoltaicznego (jego wydajność to dziś średnio 10 proc.) wykorzystamy do elektrolizy wody, uzyskamy wodór w cenie ok. 7 dol. za kilogram. Sztuczny liść prof. Nocery obniżyłby koszt tylko do 6,5 dol. za kilogram. Uzyskanie wodoru z paliw kopalnych jest nadal bezkonkurencyjne – kosztuje zaledwie 1-2 dol. za kilogram. „Dzisiaj badacze pracujący nad sztuczną fotosyntezą dążą do uzyskania wydajności 10 proc. Jeśli uda się ten cel osiągnąć, to będziemy mogli rozwiązać problem produkcji energii” – mówi prof. Kargul.
Fotosynteza: naturalna kontra sztuczna
Fotosynteza to proces dający energię komórkom roślin i jednokomórkowcom, takim jak bakterie czy protisty (dawniej zwane pierwotniakami). Są do niej zdolne także niektóre zwierzęta. Pierwsze mechanizmy fotosyntezy powstały prawdopodobnie już 3,4 mld lat temu. Od tamtej pory ich ewolucja u różnych organizmów biegła w nieco odmienny sposób, ale podstawowe zasady są bardzo podobne. Naukowcy naśladują przede wszystkim pierwszy etap fotosyntezy, czyli rozszczepienie wody z wykorzystaniem światła.
Fotosynteza biologiczna – Dzięki biologicznym katalizatorom w chlorofilu energia światła słonecznego rozbija cząsteczki wody na tlen, jony wodorowe (czyli protony) oraz elektrony.
Fotosynteza sztuczna – Jej celem najczęściej jest gazowy wodór, dlatego potrzebne są tu innego rodzaju katalizatory niż te występujące w komórkach organizmów żywych. Światło pada na antenę półprzewodnikową, „wypychając” z niej elektrony. Elektrony są „wyciągane” przez półprzewodnik z cząsteczek wody. Elektrony z półprzewodnika łączą się z protonami, dając w efekcie cząsteczki wodoru.
Benzyna z CO2
Wodór jest dobrym rozwiązaniem, ale nie idealnym – to gaz, na dodatek wybuchowy, więc magazynowanie go stwarzałoby kolejne problemy. Stąd próby bardziej dokładnego naśladowania naturalnej fotosyntezy, czyli wykorzystania dwutlenku węgla do produkcji związków organicznych, bardziej przypominających wykorzystywane dziś przez nas paliwa. To jednak o wiele trudniejsza sztuka.
Firma Panasonic opracowała metodę uzyskiwania kwasu mrówkowego z wody, dwutlenku węgla i światła. Tę substancję można „spalać” w ogniwach paliwowych, podobnie jak wodór. Jednak wydajność zamiany energii słonecznej na kwas mrówkowy to zaledwie 0,2 proc. – czyli tyle, ile wypracowała u roślin ewolucja. Prowadzi się też prace nad fotosyntetyczną produkcją gazu syntezowego, czyli mieszaniny wodoru i tlenku węgla. Można z niej potem wyprodukować m.in. metanol, etanol i syntetyczną benzynę. Jest to rozwiązanie ekologiczne, bo potrzebny do sztucznej fotosyntezy dwutlenek węgla jest pobierany z atmosfery.
W czym taka metoda jest lepsza od wytwarzania biopaliw? Rzepak, kukurydza czy inne uprawiane w tym celu gatunki oprócz ziemi potrzebują nawozów, dużych ilości wody, pestycydów, dobrej pogody i fabryk, które wyprodukują paliwo z roślinnego surowca. Natomiast sztucznym liściom wystarczy tylko teren (np. dachy, nieużytki itd.), powietrze i woda. Ta ostatnia może być zresztą odzyskiwana – jeśli w wyniku sztucznej fotosyntezy powstaje wodór, po „spaleniu” go otrzymujemy czystą H2O, która wraca do liścia.
Badacze pracujący nad sztucznymi liśćmi mają jeszcze jedno pole do popisu. Przyroda niezbyt ekonomicznie wykorzystuje energię docierającą do chlorofilu. Cząsteczka ta wykorzystuje głównie światło o barwie czerwonej i niebieskiej, którego spora część się marnuje – podobnie jak pozostałe kolory tęczy, czyli składniki widma słonecznego. Sztuka polega więc na tym, by lepiej zbierać fotony, niż robią to rośliny.
Tęczowa rewolucja
Nad pomysłowym rozwiązaniem tego typu – w ramach wspomnianego wcześniej projektu EuroSolarFuels – pracują uczeni pod kierownictwem prof. Sebastiana Maćkowskiego, kierownika Zespołu Optyki Nanostruktur Hybrydowych w Instytucie Fizyki UMK w Toruniu. Badacze łączą naturalny chlorofil z mikroskopijnymi złotymi i srebrnymi kulkami, co pozwala na lepsze wykorzystanie światła czerwonego i niebieskiego. Po badaniach nad prostymi cząsteczkami z glonów i bakterii przyszła pora na komponenty roślinne. „W przypadku chlorofilu wyizolowanego ze szpinaku uzyskaliśmy już kilkudziesięciokrotne wzmocnienie absorpcji światła” – mówi prof. Maćkowski. Sam chlorofil raczej nie trafi do sztucznych liści, ponieważ nie jest wystarczająco trwały.
Możliwe jest jednak, że zastosowanie praktyczne znajdą inne elementy, zapożyczone wprost z przyrody. Tak mają działać tzw. układy biohybrydowe łączące technologię z biologią. „Cząsteczki chlorofilu są połączone z dużym białkiem, które jest dość trwałe. Być może udałoby się umieścić na nim inne, trwalsze i wydajniejsze barwniki” – wyjaśnia prof. Maćkowski.
W laboratorium prof. Kargul badany jest układ, w którym zamiast syntetycznego katalizatora wytwarzającego wodór pracuje pobrana z komórek roślinnych struktura zwana fotosystemem I. Dzięki niej sztuczna fotosynteza może przebiegać szybciej i wydajniej. Kiedy zobaczymy | praktyczne efekty tych badań? „Potrzebujemy | jeszcze 5-8 lat, by zwiększyć sprawność i zaprojektować gotowy produkt” – przewiduje prof. Kargul. Sztuczne liście będą więc mogły zastąpić | elektrownie najwcześniej za dekadę.
DLA GŁODNYCH WIEDZY:
» Konsorcja badawcze zajmujące się sztuczną fotosyntezą – www.esf.org/eurosolarfuels, www.solarfuelshub.org
» Strona prof. Daniela Nocery na Harvardzie – http://nocera.harvard.edu