دانشمندان موفق به ساخت یک برگ مصنوعی برای تولید سوخت ترکیبی پاک شدند!

ما در سال‌های اخیر شاهد پیشرفت‌های قابل‌توجهی در رابطه با انرژی‌ پایدار بوده‌ایم، اما هنوز کارهای زیادی برای انجام دادن باقی مانده است. با این‌حال، خبرهای دلگرم‌کننده‌ای درباره توسعه یک برگ مصنوعی شنیده می‌شود که می‌تواند منجر به تولید سوخت ترکیبی واقعا پاک گردد.

قدم بسیار مهم در دستیابی به این تکنولوژی، تولید پایدار گاز ترکیبی (syngas)، که متشکل از هیدروژن و مونواکسید کربن است، خواهد بود. این گاز، در حال‌حاضر به‌طور گسترده‌ای در تولید سوخت‌ها، داروها و سوخت‌های مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد. گاز ترکیبی را به چند روش می‌توان تولید کرد، اما آن را معمولا از ترکیب محصولات باقی‌مانده از مواد زغال‌سنگی یا نفتی بدست می‌آورند.

سوخت پاک

برگ مصنوعی جدید، در آب غوطه‌ور است و انرژی خود را از نور خورشید می‌گیرد؛ هرچند که در روزهای ابری هم می‌تواند کار کند. این برگ قادر به تولید گاز ترکیبی پایدار، بدون انتشار هیچ دی‌اکسیدکربنی در هوا است.

Erwin Reinser، یکی از شیمیدان‌های دانشگاه کمبریج لندن، می‌گوید که: شاید شما تابه‌حال چیزی از گاز ترکیبی نشنیده باشید، اما ما هر روز محصولاتی را مصرف می‌کنیم که با استفاده از آن تولید شده‌اند.

توانایی تولید پایدار گاز ترکیبی، یک گام اساسی در نزدیکی به چرخه کربن جهانی و برقراری یک صنعت شیمیایی و سوخت قابل‌دوام خواهد بود.

برگ مصنوعی جدید، به تقلید از فرایند فتوسنتز موجود در گیاهان، نور، آب و دی‌اکسید کربن ورودی را با یک کاتالیست کبالت به نام perovskite ترکیب می‌کند و در طرف دیگر، به شما هیدروژن و مونواکسید کربن تحویل می‌دهد که بعدا می‌توان از آنها در تولید گاز ترکیبی استفاده کرد.

Virgil Andrei، شیمیدان دیگری از دانشگاه کمبریج می‌گوید که: شما محدود به استفاده از این تکنولوژی، فقط در کشورهای گرم یا تنها در طول ماه‌های تابستان نخواهید بود. شما می‌توانید از طلوع تا غروب آفتاب و در هر نقطه دنیا از آن استفاده کنید.

البته این موضوع، برای آن بخش‌هایی از دنیا که تابش مدوام نورخورشید یا تامین ثابت جریان برق را به‌طور تضمین‌شده ندارند، از اهمیت زیادی برخوردار است.

در حالیکه توسعه منابع تجدیدپذیر تولید برق، مانند باد و انرژی خورشیدی، در سال‌های اخیر افزایش چشم‌گیری داشته است، اما تقاضای انرژی دنیا، بسیار فراتر از برق تولیدشده است و وسایل نقلیه سنگین، کشتی‌ها و هواپیماهای مسافربری، همگی به سوخت‌های پاک‌تر نیاز دارند؛ و این همان جایی است که برگ مصنوعی می‌تواند بسیار موثر واقع شود.

اعضای تیم تحقیق، درباره تکنولوژی جدید می‌گویند که آنها از بابت کاتالیست‌ها و ترکیب مواد مختلف مطمئن هستند. لذا این موضوع می‌تواند حکایت از یک آینده خوب برای ما داشته باشد. ضمن اینکه، گاز ترکیبی هم ممکن است دیگر به‌عنوان یک مرحله میانی مورد نیاز نباشد و بتوان سوخت پاک بدون کربن را مستقیما تولید کرد.

Reisner گفته که: ما می‌خواهیم به جای اینکه ابتدا گاز ترکیبی را تولید و سپس آن را به سوخت مایع تبدیل کنیم، این سوخت مایع را تنها در یک مرحله، از دی‌اکسید کربن و آب بسازیم.

نتایج مطالعه حاضر، در مجله Nature Materials چاپ شده است.

نوشته دانشمندان موفق به ساخت یک برگ مصنوعی برای تولید سوخت ترکیبی پاک شدند! اولین بار در اخبار تکنولوژی و فناوری پدیدار شد.

دانشمندان روشی کارآمد برای جایگزین کردن انرژی خورشیدی به‌جای سوخت فسیلی ابداع کردند!

hydrogen_bubbles_algae دانشمندان روشی کارآمد برای جایگزین کردن انرژی خورشیدی به‌جای سوخت فسیلی ابداع کردند!

موجودات زنده و حیات در کره زمین، انرژی خورشیدی را در طی میلیون‌ها (یا حتی چند میلیارد) سال به سوخت فسیلی تبدیل کرده است. اما اکنون دانشمندان روشی را ابداع کرده‌اند که به‌وسیله آن می‌توان این پروسه چند میلیون ساله را بسیار کوتاه کرد و به یک انرژی تجدید پذیر دست یافت.

دانشمندان دانشگاه کمبریج انگلستان اخیرا مطالعه‌ای را در این زمینه انجام داده‌اند. در این مطالعه روشی جدید برای جدا کردن اکسیژن و هیدروژن داخل آب از طریق یک مسیر فتوسنتزی به‌وسیله آنزیمی به نام هایدروژنس (hydrogenas) بررسی شده است. هرچند که شکستن مولکول‌های آب به عناصر سازنده‌اش و ایجاد سوخت و انرژی یک امر تازه و جدید به‌حساب نمی‌آید، اما تمامی روش‌های انجام این عمل تاکنون بر پایه فرآیندهای گران‌قیمت کاتالیزوری بوده است، به‌طوری‌که اصلا صرفه اقتصادی در انجام این عمل‌ها وجود ندارد. به‌هرحال این روش جدید می‌تواند مقرون‌به‌صرفه باشد.

فتوسنتز فرآیندی است که در طی انجام آن آب و دی‌اکسید کربن، در اثر انرژی خورشیدی (نور آفتاب) بازسازی شده و تبدیل به گلوکز و اکسیژن می‌شوند.

این دقیقا همان فرآیندی است که گیاهان، درخت‌ها و جلبک‌ها و بعضی از باکتری‌های خاص برای بقا خود در طی میلیاردها سال انجام داده‌اند. جالب است که درنهایت همین عمل منجر به تولید سوخت فسیلی‌ای شده که امروزه ما چند صد تن از آن را روزانه می‌سوزانیم.

اما این فرآیند تا هنگامی‌که زمان زیادی برای تولید انرژی لازم داشته باشد، کارآمد نیست. گیاهان تنها مقدار اندکی از انرژی خورشیدی را روزانه استفاده کرده‌اند و در طی چندین سال این سوخت به‌صورت سوخت فسیلی درآمده و اکنون سوزاندن آن نیز منجر به آزادسازی مقدار زیادی دی‌اکسید کربن شده است.

اکنون دانشمندان یک نسخه نیمه مصنوعی از فتوسنتز را ابداع کرده‌اند که به‌وسیله آن می‌توان فرآیند طبیعی فتوسنتز را بسیار بهبود بخشید و دوباره پروسه ساخت انرژی را فعال کرد که در طی مسیر تکاملی گیاهان، کنار گذاشته شده بود. کلید انجام این کار یک آنزیم قدیمی است که با نام هایدروژنس شناخته می‌شود.

شیمی‌دان و سرگروه نویسندگان این تیم تحقیقاتی، کاتارزینا سوکول (Katarzyna Sokół)، بیان کرده است که:

“آنزیم هایدروژنس، آنزیمی است که در داخل جلبک‌ها وجود دارد و قادر است پروتون‌های داخلی عناصر هیدروژن را کاهش دهد.

در طی چندین سال روند تکامل گیاهان و جانوران این فرآیند کاملا غیرفعال شده بود، زیرا این عمل دیگر یک عامل برای بقا جاندار به شمار نمی‌رفت. اکنون ما توانسته‌ایم به‌طور کامل این پروسه را بازسازی کنیم تا به واکنش موردنظر خود برسیم. واکنش موردنظر ما شکستن آب به عناصر سازنده آن یعنی اکسیژن و هیدروژن است.”

تقلید فرآیند فتوسنتز به‌منظور تولید و ذخیره‌سازی انرژی امری است که از مدت‌ها قبل دانشمندان بر روی آن آزمایش می‌کنند. علاوه بر آنکه این فرآیند یک منبع انرژی بالقوه به شمار می‌رود، با استفاده از آن می‌توان میزان دی‌اکسید کربن موجود در هوا را نیز به طرز چشمگیری کاهش داد و آلودگی‌های زیست‌محیطی ناشی از آن را به‌شدت کم کرد.

اما براساس گفته سوکول بیشتر تکنیک‌های انجام‌شده تاکنون نتوانسته‌اند استفاده از این فرآیند را به مرحله صنعتی شدن برسانند؛ دلیل این امر آن است که تکنیک‌های ارایه‌شده عموما گران و یا ناکارآمد بوده‌اند و گاهی مواد استفاده‌شده در آنها به‌مراتب آلودگی‌های بیشتری را به همراه داشته است.

هدف این تیم تحقیقاتی ساخت یک سلول الکتروشیمیایی (مشابه باتری) است. این سلول بر پایه بیوشیمی ذخیره‌سازی نور در یک پروسه که با نام فتوسیستم 2 (Photosystem II) شناخته می‌شود، کار می‌کند.

این سلول ولتاژ لازم برای کار کردن آنزیم هایدروژنس را فراهم می‌کند. با این عمل میزان عنصر هیدروژن داخل آب کاهش یافته و درنتیجه تمامی هیدروژن موجود در آب از اکسیژن کنده شده و بخار می‌شوند. در ظاهر و به‌طور نظری انجام این عمل کار ساده‌ای به نظر می‌رسد، اما قطعا اتصال یک سیستم مصنوعی به یک پروسه طبیعی و آلی کار بسیار سختی است.

اروین رایسنر (Erwin Reisner)، یکی از نویسندگان این تیم و مسئول آزمایشگاه چنین گفته است که:

“این کار با بسیاری از چالش‌های ترکیب مواد بیوشیمی و آلی و درنهایت تبدیل آنها به مواد معدنی مرتبط بوده است. مونتاژ دستگاه‌های نیمه مصنوعی و ساخت یک جعبه‌ابزار برای توسعه سیستم‌های آینده تبدیل انرژی خورشیدی به یک منبع انرژی قابل‌دسترس، فرآیند بسیار پیچیده‌ای است.”

این فرآیند همچنان نیاز به تحقیقات بیشتر و آزمایش‌های گوناگون جدید دارد. پیدا کردن مواد طبیعی و انسانی مناسب برای ساخت این فرآیند در حد صنعتی، می‌تواند منجر به ساخت یک منبع انرژی پاک خورشیدی و ارزان‌قیمت شود.

“این تحقیق می‌تواند یک سکوی اولیه بزرگ برای تکنیک‌های استفاده از انرژی‌های خورشیدی باشد. این رویکرد می‌تواند برای ترکیب کردن واکنش‌های دیگر باهم، برای دیدن نتیجه عمل و یادگیری از آنها استفاده شود. درنهایت نتیجه این مطالعات می‌تواند منجر به ساخت یک تکنولوژی مصنوعی و بسیار قدرتمند برای استفاده از انرژی خورشیدی شود.

کاتارزینا سوکول، سرگروه نویسندگان تیم تحقیقاتی کمبریج”

هرچند همچنان صرفه اقتصادی استفاده از سوخت هیدروژنی بسیار کم است، زیرا چالش‌های زیادی برای ذخیره‌سازی و به‌کارگیری آن در سیستم‌های حمل‌ونقل دیده می‌شود. بااین‌وجود، در عمل این گروه تحقیقاتی، جای بسیاری از پیشرفت‌ها دیده می‌شود.

البته با توجه به بحران آب و هوایی جهانی (که ناشی از وابستگی و استفاده ما از سوخت‌های فسیلی است)، شاید جایگزین‌های ارزان و مطمئنی برای سوخت‌های فسیلی، نتوانند در زمان مناسب ارایه شوند.

نوشته دانشمندان روشی کارآمد برای جایگزین کردن انرژی خورشیدی به‌جای سوخت فسیلی ابداع کردند! اولین بار در وب‌سایت فناوری پدیدار شد.