Este cea mai mare provocare a chimiei: inventarea unor sisteme care transformă apa şi Soarele în mod eficient în energie ieftină, curată, inepuizabilă. Uitaţi-vă la o plantă care se bucură de Soare şi veţi realiza că este greu să nu simţiţi măcar o urmă de gelozie.
Aceste plante stau acolo, zi după zi, extrăgând cantităţi mari de combustibil de la lumina solară, în tot acest timp eliminând nimic mai mult decât oxigenul de care avem nevoie pentru a respira. Modul în care noi producem combustibil este foarte costisitor şi distrugător: noi extragem cărbune, petrol şi gaze din sol şi le ardem producând mai mult dioxid de carbon decât poate folosi oricine, dioxid de carbon care mistuie planeta.
Ce n-am da să putem imita tactica plantelor, adevăraţii războinici verzi. "Într-o oră Pământul primeşte de la Soare mai multă energie decât foloseşte omenirea într-un an întreg", spune Lewis Nate, un chimist de la California Institute of Technology din Pasadena. Ştim cum să transformăm acea energie în electricitate – cu acest lucru se ocupă celulele fotovoltaice (celulele solare) de fapt. Dar Soarele nu străluceşte întotdeauna unde şi când vrem noi să o facă. Prin intermediul fotosintezei, plantele au capacitatea de invidiat de a transforma lumina soarelui în „combustibil”, pe care-l pot stoca acum şi arde mai târziu. Dacă am putea face acelaşi lucru, economisind energie solară pentru o zi ploioasă, transportând-o spre zone cu mai puţin soare sau pompând-o direct într-un rezervor de combustibil, o mare parte din problemele noastre care privesc energia ar fi rezolvate.
În prezent, guvernul SUA şi de marile companii energetice finanţează încercarea de a realiza acest lucru. Provocarea realizării fotosintezei artificiale este una asumată, dar se dovedeşte a fi una dintre cele mai mari provocări care au existat vreodată.
Nimeni nu a spus că procesul fotosintezei este unul uşor. Chiar şi plantele au avut nevoie de milioane de ani pentru a-l descoperi şi nici chiar în momentul actual nu îl stăpânesc foarte bine. Fotosinteza presupune utilizarea energiei solare pentru a descompune apa în constituenţii săi, hidrogen şi oxigen, precum şi pentru rearanjarea lor în molecule chimice mult mai energetice - în cazul plantelor, carbohidraţii obţinuţi cu ajutorul dioxidului de carbon provenit din atmosferă. Dar o cultură standard de plante stochează doar un mic procent din energia solară disponibilă în carbohidraţi. Dacă Soarele străluceşte prea intens, mecanismul său este copleşit, acesta încetându-şi producţia după aproximativ o jumătate de oră. Catalizatorii naturali complecşi care stimulează procesul se degradează rapid şi trebuie să fie reformaţi constant.
Nici carbohidraţii nu sunt cei mai buni combustibili de depozitare pentru ceea ce urmărim noi. Avem nevoie de ceva mai pur, cu o ardere mai bună şi cu o densitate superioară a energiei. Hidrogenul este în mod clar alegerea cea mai bună. Acesta deţine marele avantaj de a stoca de două ori şi jumătate la fel de multă energie pe kilogram ca şi combustibilul convenţional. Punându-l într-o celulă de combustibil (un dispozitiv care converteşte energia chimică în electricitate prin intermediul unei reacţii chimice care foloseşte oxigenul şi un alt agent. de oxidare) putem genera energie electrică la cerere prin recombinarea cu oxigenul şi obţinerea apei curate, potabile ca şi produs secundar.
Toate acestea înseamnă că fotosinteza artificială nu presupune doar imitarea fotosintezei, ci despre abilitatea de a o face mai bine de atât. "Sună atât de simplu: nu faci altceva decât să scindezi apa", spune Daniel Gamelin, un chimist al Universităţii din Washington, Seattle. Partea dificilă însă, stă în detalii. În primul rând, trebuie să construim o "antenă" asemănătoare cu o celulă fotovoltaică convenţională pentru a absorbi lumina şi pentru a folosi energia acesteia ca să eliberăm electroni. Apoi, va începe partea de chimie: acei electroni trebuie ghidaţi cu ajutorul catalizatorilor într-un joc complex pentru a-i determina să reacţioneze cu moleculele corespunzătoare, scopul fiind producerea combustibilul pe care îl dorim.
În 1998, John Turner împreună cu colegul său Oscar Khaselev cu care lucra la US National Renewable Energy Laboratory în Golden, Colorado, au stabilit standardul. "În timp ce coboram pe hol într-o zi am remarcat un afiş despre fotosinteza artificială şi m-am gândit - eu pot ajuta cu acest lucru", spune el. După un an de jonglat pe toate părţile, inclusiv cu panourile solare ale roboţilor de pe Marte ai NASA, acesta deţinea propriul său aparat: un cip semiconductor de câţiva milimetri pătraţi, care stătea într-un pahar de laborator cu soluţie acidă de baterie diluat cu catalizator de platină. La lumina Soarelui, gazul de hidrogen a început să barboteze voios pe suprafaţa cipului transportând energia provenită de lumina solară într-un procent complet de 12 % (Science, vol 280, p 425).
Au existat însă câteva obstacole. Hidrogenul a barbotat împreună cu oxigenul, rezultând un amestec cu potenţial exploziv. Dispozitivul s-a oprit brusc după aproximativ 20 de ore, deoarece piesele sale erau oxidate şi corodate. Un sistem mai bun ar fi produs apă, nu acid de baterie. Şi acesta nu fusese deloc ieftin: la unul sau doi dolari pe centimetru pătrat, Turner crede că a fost de aproximativ 10 ori mai scump decât ceea ce ar fi însemnat un preţ acceptabil.
Probleme similare au afectat toate sistemele fotosintetice artificiale de atunci. "Un sistem trebuie să fie eficient, ieftin şi viguros în acelaşi timp", spune Gamelin.″ Problema este să reuşim să obţinem un produs care să întrunească toate cele trei caracteristici în acelaşi timp″, spune Lewis. "Alegeţi oricare două criterii şi pot să rezolv acest lucru."
Noua finanţare are drept scop rezolvarea acestei deficienţe constatate. În 2010, Lewis a fost ales la conducerea Joint Center for Artificial Photosynthesis cu sediul în California, susţinut financiar cu suma de 122 milioane dolari de către ″Department of Energy″. În acelaşi an, Sun Catalytix, o companie care a luat naştere cu ajutorul efortului depus de chimistul Dan Nocera pentru a studia fotosinteza artificială la Massachusetts Institute of Technology a obţinut din partea finanţatorilor, inclusiv din partea celui mai mare grup de afaceri indian, Tata, suma de 9.5 milioane dolari. Au fost implicate, de asemene,a zeci de alte grupuri de cercetare, inclusiv cel aparţinând lui Turner şi lui Gamelin.
Metale delicate
Primul pas important este să găsim cel mai bun material pentru antenă. Siliciul este relativ ieftin şi se găseşte din abundenţă şi absoarbe o bună parte din fotonii de înaltă energie din razele solare, făcându-l să fie standardul pentru celulele solare convenţionale. Problema este că îndepărtează electronii cu o energie de 1,1 electron volţi. Disocierea apei necesită un minim de 1,23 electron volţi şi în practică este nevoie de mai mult de atât pentru a începe reacţia.
O modalitate de a face diferenţa este de a stivui straturi de siliciu. Acest lucru stimulează electronii într-o măsură mai mare decât conectarea bateriilor în serie. Ultimul sistem Sun Catalytix foloseşte "tripla joncţiune" de siliciu care funcţionează, dar costă de trei ori mai mult decât materialul pentru un panou solar. Siliciu reacţionează, de asemenea, cu oxigenul pentru a crea un strat izolant de dioxid de siliciu, care împiedică electronii să ajungă acolo unde pot fi de folos, la suprafaţa antenei. Prin acoperirea stratului de siliciu cu un antioxidant este posibil să crească preţul şi să fie redusă eficienţa. Dispozitivul de referinţă Turner a utilizat semiconductori din stive de arseniură de galiu şi fosfură de indiu galiu care absorb energia provenită din intervale diferite de lungimi de undă ale luminii pentru a multiplica tensiunea produsă, dar şi acesta a oxidat.
O soluţie ar fi utilizarea semiconductorilor de oxid de metal. Prin natura lor, acestea nu se oxidează în continuare, ceea ce le face extrem de durabile şi sunt adesea ieftine. Dar există miliarde de combinaţii de metale diferite care pot produce oxizi şi nu este uşor să găsim unul care să aibă proprietăţile potrivite, care absoarbe spectrul corect de lumină şi eliberează destui electroni dacă are energia potrivită. "Oxizii sunt fiare foarte delicate", spune Turner. Echipa sa modelează comportamentul probabil al diferiţilor oxizi şi a întâlnit puţini candidaţi buni, deşi încă lucrează la acest aspect. Nu se ştie de asemenea cât de bine se vor transpune rezultatele în realitate, deoarece modelele nu pot face faţă complicaţiilor cum ar fi structurile imperfecte de cristal care se găsesc în general materiale mai ieftine.
În acelaşi timp Lewis şi echipa sa plănuiesc să constituie pur şi simplu orice oxid care le trece prin minte şi să îl testeze. "Este în camera din spate amestecând lucruri", spune Turner. Pentru a ajuta calul de corvoadă prin junglă, fostul supervizor al lui Lewis, Harry Gray, a recrutat o armată de elevi de liceu care să creeze şi să testeze proprii lor oxizi. Ei amestecă combinaţii de metale diferite, în proporţii diferite, descarcă o baterie de lumini cu LED-uri şi urmăresc tensiunea şi curentul produse. Echipa lui Gray verifică probe care arată promiţător, pentru a determina cantităţile exacte de ingrediente şi structura materialului. "Am primit sute de potenţiale idei şi în jur de 20 care par foarte bune", spune el.
Dar a avea o antenă bună rezolvă doar o parte din problemă. Dacă este expusă la lumina solară, ea produce electroni şi "goluri" încărcate pozitiv - absenţa electronilor. Rămaşi singuri, electronii ar putea cădea pur şi simplu înapoi în goluri şi nu ar rezulta nimic util. Pentru a disocia apa, aparatul trebuie să alinieze patru goluri de la un singur capăt care să absoarbă electronii din moleculele de apă pentru a produce oxigen molecular şi protoni liberi. La celălalt capăt, doi electroni ai antenei se combină cu aceşti protoni pentru a forma hidrogen molecular. Catalizatorii pot regla aceste procese, prin reducerea energiei necesare acestui proces şi printr-un comportament asemănător suprafeţelor de frânare pentru electroni şi goluri. În general, sunt necesari doi catalizatori separaţi, unul pentru hidrogen şi unul pentru oxigen. O altă mare provocare este reprezentată de creerea unor catalizatori eficienţi care să fie cât mai ieftini cu putinţă.
Platina folosită de către Turner pentru ambii catalizatori funcţionează bine, dar costul său este aproximativ la fel de ridicat ca şi cel al aurului. Natura are propriile sale soluţii imperfecte. Pentru a produce hidrogen, plantele folosesc enzime numite hidrogenaze care conţin o pereche de atomi de fier pentru a amesteca electronii. Ramurile de proteine din jurul atomilor stimulează procesul prin jonglarea cu protonii. Anul trecut, Helm Monte şi colegii de la Pacific Northwest National Laboratory din Richland, Washington, au arătat că un catalizator similar care conţine doi atomi de nichel, un element ieftin întâlnit din abundenţă, funcţionează mult mai rapid decât versiunea sa caracteristică (Science, vol. 333, p. 863) - deşi nu a fost încă testat în cadrul unui sistem de fotosinteză. Compuşii mai simplii, cum ar fi sulfura de molibden, pot şi ei să facă acest lucru. "Nu aş putea spune că cineva are un catalizator perfect pe bază de hidrogen, dar există o varietate de soluţii bune", spune Gamelin.
Catalizatorul producător de oxigen este mai complicat. Plantele folosesc proteine cu patru atomi de mangan, unul pentru fiecare orificiu implicat în scindarea apei. Dar aceasta proteină se degradează rapid şi nu este neapărat cea mai rapidă, în laborator existând opţiuni mai bune. Oxidul de iridiu se află în topul celor mai eficiente, dar este înfiorător de scump. Alternativele pe bază de mangan şi cobalt sunt în curs de explorare, dar nici una dintre ele nu întruneşte toate cerinţele necesare.
Şi acest lucru ne pune în faţa părţii într-adevăr dificilă a procesului. Nu este de ajuns să ai o antenă perfectă şi catalizatori perfecţi, spune Lewis. "Toate piesele trebuie să lucreze împreună şi în acelaşi timp."Mulţi catalizatori funcţionează numai la valori specifice ale pH-ului, deci nu pot fi împerecheați pur şi simplu. Lucrurile greu de mulţumit cum sunt nanostructurile de la nivelul antenei, precum şi catalizatorii pot afecta în mare măsură eficienţa per ansamblu. În prezent, echipa lui Gamelin, de exemplu, încearcă să optimizeze lucrurile prin adăugarea unui strat de fosfatază de cobalt care acţionează ca şi catalizator producător de oxigen tocmai la nivelul orificiului corespunzător oferind piese pentru o mare suprafaţă din regiunea antenei. "Există un pic de voodoo în acest proces", spune el.
Cărări însorite
Deci, cât de aproape este voodoo de o vrajă viabilă: un sistem realist de fotosinteză artificială? Deşi nu a existat nici un moment EUREKA, au existat unele evoluţii promiţătoare. Anul trecut, echipa Sun Catalytix a anunţat descoperirea unei "frunze artificiale" fără fir care funcţionează nu în acid de baterie, aşa cum se întâmplă în cazul celei lui Turner, ci în apa râului Charles din Boston. Acesta utilizează catalizatori relativ ieftini şi eficienţi - un amestec de nichel, molibden şi zinc pentru a determina hidrogenul şi boratul de cobalt să elibereze oxigen (Science, vol 334, p 645).
Dar încă este o unealtă incompletă. Eficienţa dispozitivului este cu 2,5%, mult mai mică decât a sistemului lui Turner care a fost descoperit în urmă cu peste un deceniu şi componentele sale se degradează după aproximativ o săptămână. Fiind constituită dintr-o triplă joncţiune de siliciu, antena este costisitoare. Hidrogenul pe care îl produce costă 6 sau 7 dolari pe kilogram după cum relatează Tom Järvi, şef al departamentului de tehnologie din cadrul firmei. În momentul de faţă, producerea de hidrogen prin reformarea metanului costă aproximativ 2,50$ per kg.
Desigur, compania nu este pe cale de a dezvălui ideile în cursul acestei etape, dar obiectivul general este de a avea un sistem în termen de 10 de ani, care poate elibera hidrogen la un cost mai mic de 3 dolari pe kilogram şi o eficienţă de 5% - punând accent pe faptul că un preţ scăzut implică eficienţă mai scăzută. Scopul final este acela de a produce în masă particule fotosintetizatoare de acest gen, care pot fi aruncate într-o găleată de apă murdară pentru a prelucra combustibilul. "Puteţi micşora semiconductorii până la o scală nanometrică şi doar să îi dispersaţi în apă. Aceasta este cea mai bună cale spre un cost scăzut", spune Mike Decelle, CEO al Sun Catalytix. Aceasta ar putea însemna, de asemenea, o revoluţie energetică în unele părţi ale lumii, departe de reţelele de electricitate, acolo unde lumina soarelui este de multe ori abundentă, dar accesul la apă curată reprezintă o problemă. Dacă combustibilul ar fi disponibil doar prin punerea unei găleţi de apă sărată la soare şi am arunca înăuntru câteva fărâme de praf metalic, acesta ar putea reprezenta sfârşitul lămpilor de parafină şi a generatoarelor diesel murdare, scumpe şi iritante pe care se bazează pe milioane de oameni pentru a păstra luminile aprinse şi pentru a pune în funcţiune alte funcţii esenţiale.
"Este cu siguranţă foarte valoroasă", afirmă Gamelin despre această idee şi referitor la ceea ce Sun Catalytix a demonstrat până acum. Chiar şi aşa, Turner presupune că va fi nevoie de cel puţin 15 ani înainte ca ceva comercializabil să ajungă pe rafturile oricărui laborator. Lewis promite dezvoltarea unor prototipuri de lucru în decursul următorilor câţiva ani, dar recunoaşte ca primele nu vor fi ieftine. Dincolo de acest aspect, el întrevede momentul în care sistemele nu vor produce doar hidrogen, dar odată cu evoluţia mai complexă a chimiei, în final va conduce la o modalitate mai facilă de transport a combustibilului cum ar fi etanolul şi eventual să extragă dioxid de carbon din aer în cursul producţiei sale.
Mai durează încă mult până când vom ajunge în acest punct. În momentul de faţă, spune Lewis, "suntem ca fraţii Wright. Treaba noastră este greşim rapid, frecvent şi să mergem mai departe." Rapiditatea cu care eşecul ne va deschide calea spre succes va determina cât de repede vom produce combustibil din energia solară.
Textul de mai sus reprezintă traducerea şi adaptarea articolului new-leaf-the-promise-of-artificial-photosynthesis, cu acordul editorului, publicat de New Scientist. Reed Business Information Ltd şi New Scientist nu îşi asumă nicio responsabilitate privind eventuale erori de traducere.
Traducător: Ecaterina Pavel
