نيت لويس على التمثيل الضوئي الاصطناعي

يعمل نايت لويس ، أستاذ الكيمياء في جامعة جورج إل أرجيروس بمعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، على تطوير تكنولوجيات جديدة لتلبية احتياجات الطاقة الهائلة للمستقبل بطريقة مستدامة. لويس متخصص في ما يسمى التمثيل الضوئي الاصطناعي. في الطبيعة ، التمثيل الضوئي هو العملية التي تستخدمها النباتات في صنع الطعام من طاقة الشمس. يعمل الدكتور لويس لتقليد تلك العملية. باستخدام مواد خاصة ، يقوم ببناء خلايا صغيرة - عندما تصطدم بالضوء وتحيط بها المياه - تنتج وقود الهيدروجين. يحترق الهيدروجين "نظيفًا" ، أي أنه لا ينتج ثاني أكسيد الكربون (CO2) عندما يتم حرقه. هذا البودكاست هو جزء من سلسلة Thanks To Chemistry ، التي تم إنتاجها بالتعاون مع مؤسسة التراث الكيميائي. تم توفير دعم رعاية سخي من قبل شركة BASF. تم توفير دعم إضافي للإنتاج بواسطة مؤسسة Camille و Henry Dreyfus و DuPont و ExxonMobil. تحدثت نيت لويس مع Earth Lebky في Beth Lebwohl.

تستخدم النباتات أشعة الشمس لصنع الطعام. هذا التمثيل الضوئي. لكن مختبرك يعمل على عملية التمثيل الضوئي الاصطناعي. ما هو الهدف؟

زرع الخلايا. الصورة الائتمان: كريستيان بيترز

اكتشفت النباتات أن أفضل طريقة لإنتاج الطاقة النظيفة وتسخيرها تتمثل في أخذ أكبر مورد لدينا - الشمس - وتحويله إلى الشيء الذي يحول جميع الطاقة والاستهلاك تقريبًا على كوكبنا اليوم ، وهو الوقود الكيميائي. ولكن النباتات لا تفعل ذلك بكفاءة عالية ، وأنها تنتج الوقود الذي لا يمكننا استخدامه ، على الأقل ليس بشكل مباشر ، إلا إذا كنت تريد أن تأكل الخضروات اللذيذة التي تخرج منه. لكن معظم ما تصنعه النباتات لا يمكن استخدامه مباشرة كوقود من قبل البشر.

بنفس الطريقة التي بها الطيور ريش ، ونحن نعلم أنه من الممكن أن تطير ، لكننا لا نصنع الطائرات من الريش ، نعلم أنه من الممكن أن تأخذ أشعة الشمس وتصنع الوقود الكيميائي. سنقوم ببناء أجهزتنا التي ستأخذ أشعة الشمس وتصنع مباشرة الوقود الذي يمكن لأي شخص استخدامه في أي مكان وفي أي وقت ، للحصول على الطاقة.

دعنا نتحدث عن منتج معين من مختبرك - خلية كهروكيميائية تستخدم في التمثيل الضوئي الاصطناعي بهدف تصنيع وقود الهيدروجين - بأبسط العبارات الممكنة. كيف ستعمل؟

نحن نعلم أنه من الممكن مع مواد أشباه الموصلات مثل تلك المستخدمة في الألواح الشمسية ، ولكن مع مجموعة مختلفة من المواد مثل البلاتين والسيليكون ، لأخذ هذه المواد بالفعل ، وبدلاً من تغطيتها بالأسلاك الكهربائية ، نحن نغرق المواد في الماء. وإضافة أشعة الشمس ، يمكن للمرء تقسيم تلك المياه وإنتاج غاز الهيدروجين وغاز الأكسجين مباشرة. ستقوم بجمع الهيدروجين ، ثم يمكنك استخدامه لاحقًا في خلية الوقود. أو يمكنك تحويله إلى وقود سائل ، أو استخدامه لأشياء أخرى. ستحصل بعد ذلك على الأكسجين من الهواء عند نقطة احتراق الهيدروجين أو الوقود الآخر الذي صنعته. نحن نعرف هذا يعمل بالفعل.

صورة الائتمان: spcbrass

تحدثت عن تقسيم الماء. ما بالضبط هل يعني ذلك؟

الماء لديه الصيغة الكيميائية ل H2O. لتقسيمه ، تقوم بإعادة ربط الروابط في الماء ، لصنع جزيء واحد من H2 ، ونصف من O2 الذي يصنع جزيئات الأكسجين الموجودة في الهواء.

والوقود الناتج عن ذلك هو الهيدروجين - H2 - لأنه يمكن تخزينه ثم حرقه. مثلما يتم حرق البنزين بالأكسجين من الهواء ، يتم حرق الهيدروجين بالأكسجين من الهواء. في هذه الحالة ، بدلاً من إنتاج ثاني أكسيد الكربون ، فإنه سيصنع الماء. لذلك فهي نظيفة ، لأن المنتج الثانوي الوحيد هو في الواقع مياه صالحة للشرب من عملية الاحتراق.

كيف تبدو هذه الخلية الكهروضوئية؟ ما بداخلها مما يجعلها تقوم بهذا العمل؟

ستكون مجرد مادة مرنة ، نوعًا ما مثل التفاف Slip 'n Slide أو الفقاعة ، نسيج متعدد الوظائف ستطرحه ، وستكون هناك طبقة صافية عليا تمص الماء مثل الإسفنج من الهواء. ثم تمتص الطبقة المتوسطة أشعة الشمس ، وتتحلل جزيئات الماء إلى هيدروجين وأكسجين. سنسمح بتهوية الأكسجين تمامًا مثل سترة المطر عندما تتركه يتنفس. في الجزء السفلي ، كنا نزيل الوقود الغازي أو السائل ، ونجمعه في خزان ، ومن ثم يمكننا استخدامه لتشغيل سياراتنا ، لتشغيل خلايا الوقود ، لإنتاج الوقود السائل ، لتوفير الطاقة التي نستخدمها تحتاج حتى عندما يكون الشمس ليست مشرقة.

ما هو الجدول الزمني في هذا؟ متى يمكننا أن نتوقع أن نرى هذا في السوق ، بشكل عام أو قيد الاستخدام في الصناعة؟

هدفنا هو بناء نماذج أولية تعمل فعليًا في أول عامين من هذا المشروع ، يُطلق عليها المركز المشترك للالتمثيل الضوئي الاصطناعي ، وهو مركز ابتكار للطاقة برعاية وزارة الطاقة.

وبالتالي ، فإننا نطلق مشروعًا قويًا للغاية ، لأنه لم يقم أي شخص بالفعل بإنشاء مولد للوقود الشمسي يمكنك حمله في يدك ، وهو بالفعل نظام اصطناعي ضوئي. نحن نعلم أن النماذج الأولية التي نبنيها لن تعمل جيدًا ، أو ربما لن تستمر طويلًا جدًا ، أو ربما تستخدم قطعًا باهظة الثمن. وبعد ذلك سنبني الثانية ، وسوف تعمل بشكل أفضل قليلا. ثم سنقوم ببناء الثالثة ، وسوف تعمل بشكل أفضل. سوف نتعلم من أخطائنا حتى نبني خطأ خامسًا هو الخطأ الذي نحاول التفكير في الانتقال إلى المشروع التجاري.

نعتقد أن هذا جيل متطور من تطوير التكنولوجيا. لكن لا يمكنك الطيران حتى تنطلق من الأرض ، وهدفنا هو الابتعاد عن الأرض ، لبناء الشيء الذي يوضح أنه يمكننا إنشاء تقنية يمكنها فعل ذلك ، مباشرة ، فعل ما تفعله المصانع ، ولكن بشكل أفضل ، صنع الوقود مباشرة من الشمس.

ما هي بعض العقبات الكبيرة التي تواجهها الآن أو التي واجهتها في الماضي فيما يتعلق بالتمثيل الضوئي الاصطناعي؟

من الصعب كيميائيًا أخذ فوتونات الضوء والإلكترونات التي يتم إنتاجها في كل مكان في مادة ما ، ثم دمجها معًا لإنشاء وكسر الروابط الكيميائية اللازمة للقيام بعملية التمثيل الضوئي الحقيقية. نحن بحاجة إلى تطوير تلك المحفزات التي يمكنها القيام بذلك ، وكذلك المواد التي تمتص الضوء لتوصيل تلك الإلكترونات لتلك المحفزات ، بحيث تعمل جميع أجزاء النظام معًا في انسجام تام في نفس الوقت.

ما هو مثال على هذا العامل المساعد؟

سيكون المحفز في الوقت الحالي الذي يقسم الماء إلى هيدروجين وأكسجين معدنًا باهظًا مثل البلاتين مقترنًا بمعادن باهظة الثمن أخرى مثل الروثينيوم في شكل ثاني أكسيد الروثينيوم. نحن نعرف أنها تعمل بشكل جيد للغاية. إنها مكلفة جدًا للتفكير في استخدامها لتغطية المساحات الكبيرة جدًا اللازمة لتسخير ضوء الشمس. نحن نعلم أن الطبيعة تعرف كيفية القيام بذلك. لا يستخدم المعدن. في الإنزيمات التي تستخدمها الحشرات في صنع الهيدروجين تستخدم الحديد ، وهو معدن رخيص يخرج من الصدأ. يستخدمون النيكل ، وهي نفس الأشياء التي استخدمناها لصنع النيكل المعدنية. لذا فهم يستخدمون أشياء رخيصة حقًا ، ونحن بحاجة إلى معرفة ، ككيميائيين ، كيفية جعل المعادن الرخيصة تعمل تمامًا مثل المعادن باهظة الثمن من أجل الحصول على تقنية بأسعار معقولة حقًا.

ما هو أهم شيء تريد أن يعرفه الناس اليوم؟

الشيء الأكثر أهمية هو معرفة أننا إذا أردنا الوصول إلى نظام الطاقة النظيفة ، فيمكننا الحصول على جزء من الطريق مع التكنولوجيا الحالية ، مع الرياح ، والطاقة الشمسية ، والطاقة النووية. لكن لا يمكنك الوصول إلى هناك مع جعل أرخص ما نعرفه أرخص. التحديان الأكبر هما كيف يمكنك تخزين كميات هائلة من الكهرباء ، وكيف تصنع وقودًا نظيفًا مقابل 40 في المائة من وسائل النقل التي لا يمكن كهربتها - سفننا وطائراتنا وشاحناتنا الشاقة؟ بالإضافة إلى كمية محدودة من الوقود الحيوي ، فإن اللعبة التقنية الوحيدة في المدينة التي يمكن أن تحل كلتا المشكلتين اللتين يتعين علينا حلهما ككوكب من أجل جعل مستقبل آمن مستدام ومسؤول بيئيًا هي إنتاج الوقود من الشمس. وهذا هو السبب في أننا نعمل بجد في هذا المشروع.

استمع إلى مقابلات EarthSky التي مدتها 8 دقائق و 90 ثانية مع Nate Lewis حول التمثيل الضوئي الاصطناعي ، أعلى الصفحة.