인공 광합성: 지구를 구할 수 있는 투인원 기술

광합성: 이 행성의 생명을 위한 기본 메커니즘, GCSE 생물학 학생들의 재앙, 그리고 이제 기후 변화에 맞서 싸울 수 있는 잠재적인 방법. 과학자들은 식물이 햇빛을 사용하여 CO2와 물을 연료로 사용할 수 있는 것으로 바꾸는 방법을 모방한 인공적인 방법을 개발하기 위해 열심히 노력하고 있습니다. 그것이 효과가 있다면 그것은 우리에게 윈-윈 시나리오가 될 것입니다. 우리는 이러한 방식으로 생산된 재생 에너지의 혜택을 받을 뿐만 아니라 대기 중 CO2 수준을 줄이는 중요한 방법이 될 수도 있습니다.

인공 광합성: 지구를 구할 수 있는 투인원 기술

그러나 식물이 광합성을 개발하는 데 수십억 년이 걸렸고 자연에서 일어나는 일을 복제하는 것이 항상 쉬운 일은 아닙니다. 현재 인공 광합성의 기본 단계는 작동하지만 그다지 효율적이지 않습니다. 좋은 소식은 이 분야의 연구가 속도를 내고 있고 전 세계적으로 이 통합 프로세스를 활용하기 위한 조치를 취하고 있는 그룹이 있다는 것입니다.

2단계 광합성

광합성은 단순히 햇빛을 포착하는 것이 아닙니다. 따뜻한 태양 아래서 목욕하는 도마뱀은 그렇게 할 수 있습니다. 광합성은 이 에너지("사진" 비트)를 포착 및 저장하고 탄수화물("합성" 비트)로 변환하는 방식으로 식물에서 진화했습니다. 식물은 햇빛에 의해 구동되는 일련의 단백질과 효소를 사용하여 전자를 방출하고, 전자는 CO2를 복합 탄수화물로 전환하는 데 사용됩니다. 기본적으로 인공 광합성은 동일한 단계를 따릅니다.

photovoltaic_solar_cells

런던의 관련 램프 기둥이 충전소로 바뀌고 있습니다. 영국의 태양 에너지: 태양광 발전은 어떻게 작동하며 장점은 무엇입니까?

"자연 탄소 순환의 일부인 자연 광합성에서 식물에 빛, 이산화탄소, 물이 들어가고 식물은 설탕을 만듭니다. 토론토 대학교. “인공광합성에서는 무기소자와 재료를 사용합니다. 실제 태양열 수확 부분은 태양 전지에 의해 수행되고 에너지 변환 부분은 촉매의 존재 하에서의 전기화학적 반응에 의해 수행됩니다.”

이 공정에서 정말 매력적인 것은 장기 에너지 저장을 위한 연료를 생산하는 능력입니다. 이것은 현재의 재생 가능 에너지원이 새로운 배터리 기술로 할 수 있는 것보다 훨씬 더 많습니다. 예를 들어 태양이 꺼지지 않거나 바람이 많이 부는 날이 아니면 태양 전지판과 풍력 발전 단지는 생산을 중단합니다. De Luna는 “복합 연료로 계절에 따라 저장하고 저장하려면 더 나은 솔루션이 필요합니다. "배터리는 일상생활, 휴대폰, 심지어 자동차에도 유용하지만 배터리로 [보잉] 747을 운행하지는 않을 것입니다."

해결해야 할 과제

인공 광합성 과정의 첫 번째 단계인 태양 전지를 만드는 것과 관련하여 우리는 이미 태양광 발전 시스템이라는 기술을 갖추고 있습니다. 그러나 일반적으로 반도체 기반 시스템인 현재의 태양광 패널은 자연에 비해 상대적으로 비싸고 비효율적입니다. 새로운 기술이 필요합니다. 훨씬 적은 에너지를 낭비하는 것.

애틀랜타 조지아 주립 대학의 Gary Hastings와 그의 팀은 식물의 원래 프로세스를 볼 때 출발점을 우연히 발견했을 수 있습니다. 광합성에서 중요한 점은 세포에서 전자를 일정 거리 이상 이동시키는 것입니다. 아주 간단한 용어로, 이것은 나중에 에너지로 변환되는 햇빛에 의한 움직임입니다. Hastings는 이러한 전자가 원래 위치로 돌아갈 수 없기 때문에 이 과정이 본질적으로 매우 효율적임을 보여주었습니다. "전자가 원래 위치로 돌아간다면 태양 에너지는 손실됩니다." 이러한 가능성은 식물에서는 드물지만 태양 전지판에서 매우 자주 발생하여 실제보다 효율성이 떨어지는 이유를 설명합니다.

Hastings는 이 연구가 "화학 또는 연료 생산과 관련된 태양 전지 기술을 발전시킬 가능성이 있다"고 믿고 있지만, 이것은 현재로서는 단지 아이디어일 뿐이며 이러한 발전이 조만간 일어날 것 같지 않다는 점을 재빨리 지적합니다. "이러한 아이디어를 기반으로 설계된 완전 인공 태양 전지 기술의 제조 측면에서 기술은 미래에 더 멀어지고 프로토 타입조차도 향후 5 년 이내에 없을 것이라고 생각합니다."

인공 광합성

연구자들은 우리가 해결에 가깝다고 생각하는 한 가지 문제는 이 과정의 두 번째 단계인 CO2를 연료로 전환하는 것과 관련이 있습니다. 이 분자는 매우 안정적이고 분해하는 데 엄청난 양의 에너지가 필요하기 때문에 인공 시스템은 촉매를 사용하여 필요한 에너지를 낮추고 반응 속도를 높이는 데 도움을 줍니다. 그러나 이 접근 방식은 고유한 문제를 야기합니다. 망간, 티타늄 및 코발트로 만든 촉매를 사용하여 지난 10년 동안 많은 시도가 있었지만 장기간 사용하는 것 자체가 문제임이 입증되었습니다. 이론은 좋아 보이지만 몇 시간 후에 작동을 멈추거나 불안정해지거나 느려지거나 세포를 손상시킬 수 있는 다른 화학 반응을 촉발합니다.

그러나 캐나다와 중국 연구원 간의 협력은 대박을 터트린 것 같습니다. 그들은 중성 pH에서 작동하도록 니켈, 철, 코발트 및 인을 결합하는 방법을 찾았습니다. "우리 촉매는 CO2 환원에 필요한 중성 pH 전해질에서 잘 작동할 수 있기 때문에 [a] 멤브레인이 없는 시스템에서 CO2 환원의 전기분해를 실행할 수 있으므로 전압을 낮출 수 있습니다."라고 Bo Zhang은 말합니다. 중국 푸단대학교 고분자과학과. 놀라운 64%의 전기-화학적 전력 변환으로 팀은 이제 인공 광합성 시스템에서 가장 높은 효율성을 가진 기록 보유자가 되었습니다.

“지금 우리가 가진 가장 큰 문제는 규모”

이러한 노력 덕분에 팀은 NRG COSIA Carbon XPRIZE에서 준결승에 진출했으며 연구 대가로 2천만 달러를 받을 수 있었습니다. 목표는 "발전소 및 산업 시설에서 배출되는 CO2를 가치 있는 제품으로 전환하는 획기적인 기술을 개발"하는 것이며 개선된 인공 광합성 시스템으로 좋은 기회를 갖게 됩니다.

다음 과제는 확장입니다. “현재 우리가 가진 가장 큰 문제는 규모입니다. 확장하면 효율성이 떨어지게 됩니다.”라고 Zhang의 연구에 참여한 De Luna는 말합니다. 운 좋게도 연구원들은 개선 목록을 모두 사용하지 않았으며 이제 다양한 구성과 구성을 통해 촉매를 보다 효율적으로 만들려고 노력하고 있습니다.

두 가지 측면에서 승리

장단기적으로 여전히 개선의 여지가 있지만 많은 사람들은 인공 광합성이 미래를 위한 깨끗하고 지속 가능한 기술로서 중요한 도구가 될 잠재력이 있다고 생각합니다.

“현장이 너무 빨리 움직이기 때문에 매우 흥미진진합니다. 상업화의 측면에서 우리는 전환점에 와 있습니다.”라고 De Luna가 말했습니다. 그리고 그것이 효과가 있는지 여부는 “공공 정책과 재생 에너지 기술을 수용하기 위한 업계의 채택을 포함한 많은 요인에 달려 있을 것입니다.”라고 덧붙였습니다. .”

그렇다면 과학을 올바르게 이해하는 것은 실제로 첫 번째 단계일 뿐입니다. Hastings와 Zhang과 같은 연구 결과에 따라 인공 광합성을 재생 가능 에너지에 대한 글로벌 전략에 흡수하는 결정적인 움직임이 나타날 것입니다. 판돈이 높습니다. 그것이 통과된다면 우리는 연료와 화학 제품을 생산할 뿐만 아니라 그 과정에서 탄소 발자국을 줄이는 두 가지 측면에서 승리할 것입니다.

최근 게시물