Переход к возобновляемым источникам энергии превращается в нашем цифровом мире в новую золотую лихорадку. Кроме того, сегодня речь идет о том, чтобы сделать эти источники стабильными и надежными, а это означает, что необходимо не только найти способы генерировать энергию, но и аккумулировать ее, чтобы использовать тогда, когда в ней возникает необходимость.
Как и многие авторы революционных изобретений прошлого, нынешние ученые обратились за идеями к самой природе.
Энергия, которую потребляет наша планета – и мы, как доминирующий биологический вид – поступает от Солнца, принимая ту или иную форму. Помимо солнечного излучения, которое, вероятно, является первым, что приходит на ум, когда речь заходит об энергии Солнца, существует еще один путь, который наша планета использует для сбора солнечной энергии: фотосинтез.
Фотосинтез представляет собой процесс, посредством которого растения с помощью солнечной энергии превращают углекислый газ и воду в глюкозу. Ученые на протяжении многих лет пытались воспроизвести этот процесс, рассчитывая в конечном итоге получить не глюкозу, а энергию. В последнее время они добились некоторых заслуживающих внимания результатов, хотя пока исключительно в лабораторных условиях.
В начале этого года Министерство энергетики США объявило о выделении финансовых средств в размере до 100 миллионов долларов, которые в течение ближайших пяти лет будут направлены на исследования в области искусственного фотосинтеза.
«Солнечный свет является основным источником энергии для человечества, и возможность генерировать топливо непосредственно из солнечного света потенциально способно коренным образом изменить экономическую основу энергетики, а также резко повысить уровень энергетической безопасности США», – заявил в пресс-релизе заместитель министра энергетики США по науке Пол Даббар.
Действительно, как пишет Диллан Фернесс в своей статье для издания Digital Trends, создание технологии производства электроэнергии непосредственно из солнечного света повысило бы энергетическую безопасность любой страны, причем это особенно актуально для развивающихся стран, где отсутствует инфраструктура, необходимая для аккумулирования больших количеств неиспользуемой энергии. Фернесс взял интервью у нескольких исследователей, участвующих в работах по искусственному фотосинтезу, чтобы они пролили свет на последние достижения. По их словам, хотя сегодня очевидно, что потребуется немало времени, прежде чем подобная технология станет столь же распространенной, как солнечная или ветровая энергетика, она имеет весьма серьезные перспективы.
Итак, как же работает искусственный фотосинтез? Прежде всего, в этой технологии вместо хлорофилла задействованы фотоэлектрические панели, или солнечные батареи, которые поглощают свет и превращают его в электрическую энергию. Искусственные «листья» также используют синтетический или органический катализатор для расщепления содержащейся в воздухе воды на водород и кислород. Другими словами, продуктами искусственного фотосинтеза являются не один, а два вида «топлива» – электричество и водород.
Два года назад исследователи из национальной лаборатории имени Лоуренса Беркли Департамента энергетических ресурсов США и Объединенного центра искусственного фотосинтеза (JCAP) опубликовали статью о новой солнечной батарее, которая делает именно это: поглощает углекислый газ из воздуха и использует солнечную энергию для превращения электричества в водород.
Другая группа ученых сосредоточила усилия на молекуле хлорофилла, обнаруженной в некоторых бактериях, которая может поглощать излучение в инфракрасной части спектра. Если использовать ее в технологии искусственного фотосинтеза, это может повысить эффективность процесса, что является одним из способов сделать его жизнеспособным с экономической точки зрения.
Это лишь два примера, касающиеся работы, которая проводится лабораторией в области искусственного фотосинтеза. Как сказал один из исследователей в интервью Диллану Фернессу, ее целью является улучшение природы, поскольку «растения не являются оптимальными преобразователями солнечного света в энергию».
«Они должны быть черными, а не зелеными, чтобы поглощать большинство волн солнечного спектра, – заявил Натан Льюис, химик из Калифорнийского университета и руководитель исследований в JCAP. – У растений имеются и другие ограничения. Впрочем, они достаточно хороши для выполнения тех функций, которые должны выполнять с точки зрения биологии».
Однако, для использования фотосинтеза в качестве источника энергии для человеческих нужд, необходимо нечто большее, то есть более эффективный и быстрый процесс преобразования. Одной из таких альтернатив естественному фотосинтезу является некое подобие парусины, оснащенной фотоэлектрическими элементами, которую можно раскатывать на любой плоской поверхности для абсорбции, как воды, так и света. Затем эту парусину помещают в резервуар, заполненный катализатором, где СО2 превращается в химическое топливо, которое можно хранить или использовать немедленно.
Все это может показаться слишком причудливым – фотосинтез, парусина, резервуары с катализаторами, но ученые и Министерство энергетики США, судя по всему, полагают, что такая технология может стать еще одним оружием в арсенале человечества против климатических изменений. Разумеется, наряду с постоянным совершенствованием солнечных батарей.
Международная группа ученых недавно объявила о революционном прорыве в этой области. Созданный ими тонкопленочный фотоэлектрический элемент является почти столь же эффективными, как традиционные солнечные батареи, обладая коэффициентом полезного действия в 25 процентов. Это делает новый элемент идеальным для солнечных панелей на кровельных конструкциях и других систем сбора солнечной энергии для зданий. Однако, но кроме того, это свидетельствует о тенденции: солнечные элементы должны стать настолько тонкими, насколько возможно, поскольку это повышает их универсальность.
Если искусственный фотосинтез наберет обороты, он, безусловно, получит преимущества от развития упомянутой тенденции. Кроме того, он выиграет от развития технологий хранения энергии, в том числе хранения водорода. Координировать такое количество разнообразных направлений исследований – сложная задача, но, в конечном счете, общая цель может заставить всю систему работать. Возможно, уже нынешнее людей поколение увидит мир, в котором будут доминировать возобновляемые источники энергии, использующие солнечное излучение всеми возможными способами, и, разумеется, без каких-либо вредных выбросов.