برگ‌ مصنوعی: فتوسنتز بیونیک

برگ‌ مصنوعی و تبدیل نور خورشید به سوخت مایع از راه فتوسنتز بیونیک یک پیروزی بزرگ زیست محیطی خواهد بود و جدیدترین نمونه‌های اولیه به‌طور شگفت‌انگیزی موثر به نظر می‌رسند. در ادامه با میلی‌لب همراه باشید.

---

اشتهای سیری‌ناپذیر ما برای انرژی، بیش از پیش برای ما دردسر ایجاد کرده است. مصرف سوخت‌های فسیلی گازهای گلخانه‌ای آزاد کرده و اتمسفر را گرم می‌کند. در این بین، انسان به گیاهانی حسادت می‌کند که انرژی خود را از طریق فتوسنتز و در واقع، مصرف گاز گلخانه‌ای دی‌اکسید کربن تولید می‌کنند. اگر یاد بگیریم که این ترفند گیاهان را در مقیاس بزرگ تقلید کنیم، می‌توانیم نور خورشید را به خدمت گرفته و یک سوخت پاک و سبز ایجاد کنیم.

متأسفانه، فتوسنتز یک واکنش شیمیایی سخت و پیچیده است. این واکنش فرآیندهای بسیاری مانند جذب نور خورشید، تقسیم مولکول‌های آب برای تولید پروتون، و پیوستن این پروتون‌ها به اتم‌های کربن موجود در CO2 برای تولید غذای نهایی گیاه یعنی قند را شامل می‌شود. در طبیعت، پروتئین‌هایی که صدها میلیون سال زمان برای تکامل داشته‌اند این فرآیندها را انجام می‌دهند. جالب این است که این پروتئین‌ها هنوز هم در بهترین حالت فقط ۱ درصد انرژی نور خورشید را به سوخت تبدیل می‌کنند.

یک دهه پیش، شیمیدان دانیل نوسرا (Daniel Nocera) در دانشگاه هاروارد با ساخت کاتالیزورهای مبتنی بر نیکل و کبالت که می‌توانست آب را تجزیه کند، گام بزرگی رو به جلو برداشت. با این حال، این تنها بخشی از بازآفرینی فرآیند فتوسنتز است و از آن زمان پیشرفت چندانی رخ نداده است.

سپس دانشمندان دریافتند که به جای بازآفرینی فتوسنتز از پایه، می‌توانیم بهترین بخش‌های شیمی و بیولوژی را در برگ‌ مصنوعی با فرآیند فتوسنتز بیونیک ترکیب کنیم. این برگ‌های مصنوعی معمولاً از موادی که نور خورشید را با کارایی بالا جذب می‌کنند استفاده کرده و از پروتئین‌های طبیعی کارآمد در تشکیل مولکول‌های سوخت بهره می‌برند. دانشمندان اخیرا نشان دادند که می‌توان از نور خورشید با یک کاتالیزور جدید برای تبدیل CO2 به سوخت خنثی کربن استفاده کرد. اگرچه برگ‌های مصنوعی قبلا ساخته شده‌اند، اما این روش جدید به سبزترشدن فناوری و تولید اجزای کلیدی برای سوخت کمک می‌کند.

گاز سنتز (Syngas) یا گاز طبیعی سنتزی اساس چندین محصولی است که همه‌ی ما روزانه استفاده می‌کنیم؛ از پلاستیک گرفته تا داروها. از نظر شیمیایی، گاز سنتز مخلوطی از مونوکسید کربن (CO)، هیدروژن (H2) و در بیشتر موارد مقدار کمی دی‌اکسید کربن (CO2) است که برای تولید محصولات صنعتی یا تبدیل به سوخت استفاده می‌شود. تولید انبوه گاز سنتز شامل فرآیند اصلاح متان از گاز طبیعی است؛ اما در طولانی مدت دی‌اکسید کربن فراوانی تولید می‌کند. روش جایگزین سبزتر، و با الهام از فتوسنتز انرژی را از نور خورشید دریافت کرده و از آن برای واکنش دی‌اکسید کربن و آب و تولید مخلوط گاز سنتز استفاده می‌کند.

این تکنیک جدیدی نیست و سنتز فوتوالکتروشیمیایی در یک برگ مصنوعی برای اولین بار در سال ۲۰۱۱ انجام شد. اما، کاتالیزورهای ساخته‌شده از فلزات گرانبها ایده‌آل نبودند: هزینه‌ی تولید بالا و راندمان پایین داشتند. پژوهشگران در روش جدید یک کاتالیزور کبالتی نو مورد آزمایش قرار داده‌اند.

کبالت ارزان‌تر است و تولید جزء مونواکسید کربن از ترکیب گاز سنتز را ممکن می‌کند. در حالی که، اکثر مدل‌های برگ مصنوعی پیشین فقط هیدروژن تولید می‌کردند. روش جدید از دو جاذب نور غوطه‌ور در آب استفاده می‌کند که اولی اکسیژن تولید کرده و دومی دی‌اکسید کربن و آب را به مخلوط گاز سنتز نهایی تبدیل می‌کند.

پژوهشگران دریافتند که با این روش، فرآیند شیمیایی کاهش دی‌اکسید کربن می‌تواند تنها با ۰/۱ نور خورشید رخ دهد – تقریباً میزان نوری که در یک روز بارانی می‌تابد. ویرجیل آندری، دانشجوی دکترا اعتقاد دارد که «شما می‌توانید از سپیده دم تا غروب، در هر جای دنیا از این روش استفاده کنید.”

به گفته‌ی اروین رایسنر، هدف نهایی «بستن چرخه‌ی جهانی کربن» است که یعنی سوخت مایع جدید را از دی‌اکسید کربن ناشی مصرف سوخت قبلی بسازیم. استفاده‌ی دوباره از دی‌اکسید کربن به جلوگیری از مشکلات سوخت فسیلی  که CO2 به جو اضافه کرده و باعث گرم‌شدن کره‌ی زمین می‌شود کمک می‌کند.

کاهش آسیب به سیاره‌ی ما برای آینده بسیار مهم است و موفقیت این آزمایش امیدوارکننده است. دانشمندان با جایگزینی اجزای ناکارآمد در برگ‌ مصنوعی، به ساده‌سازی فتوسنتز بیونیک و معرفی آن در مقیاس بزرگ‌تر نزدیک می‌شوند. تولید پایدار گاز سنتز از گام مهمی به سوی هدف بهبود فناوری فوتوالکتروشیمیایی برای ارتقای تولید سوخت‌های سبز مانند اتانول به سطح بعدی است. انرژی‌های تجدیدپذیر در سال‌های اخیر پیشرفت‌های بزرگی داشته است. اما، در حال حاضر برق تجدیدپذیر تنها یک چهارم نیاز جهانی انرژی را برآورده می‌کند. تحقیقات جدید راه‌حلی دیگر برای کمک به پرکردن این شکاف ارائه می‌دهد.