Hoe het werkt

Gedurende miljarden jaren hebben planten zich ontwikkeld en het meest efficiënte energiesysteem ter wereld gecreëerd: fotosynthese. Het proces van fotosynthese zet zonlicht, koolstofdioxide en water om in brandstof die planten kunnen gebruiken, waarbij zuurstof vrijkomt. Met brandstof worden hier koolhydraten, vetten en eiwitten bedoeld die planten nodig hebben om te overleven. In menselijke termen verwijst brandstof echter naar aardolie en diesel die we nodig hebben om onze voertuigen te laten rijden en elektriciteit om onze huizen te verwarmen. Toch kunnen we fotosynthese blijven gebruiken om onze problemen met niet-hernieuwbare , broeikasgasuitstotende energie op te lossen. Wetenschappers en onderzoekers proberen al jaren een systeem te ontwikkelen dat energie op dezelfde manier gebruikt als planten, zij het met een ander eindresultaat. Ze noemen deze methode 'kunstmatige fotosynthese'.

Planten zetten, uitsluitend met behulp van zonlicht, een enorme hoeveelheid energie om. Ze zetten zo'n 1,000 miljard ton koolstofdioxide om in energie die ze vervolgens gebruiken voor hun dagelijkse functies.

Zonne-energie is door de mensheid grotendeels onbenut gebleven. Foto-elektrische technologie zet zonlicht weliswaar om in elektriciteit, maar deze omzetting is slechts ogenblikkelijk. Dit betekent dat we deze energie niet 's nachts of op regenachtige, bewolkte dagen kunnen gebruiken. Naast het nadeel van ogenblikkelijke omzetting is foto-elektrische energie duur en niet erg efficiënt. Kunstmatige fotosynthese (een systeem dat fotosynthese in planten nabootst) zou ons echter in theorie kunnen voorzien van goedkope, overvloedige, 'schone' en opslaarbare energie en elektriciteit.

In dit artikel zullen we het proces van kunstmatige fotosynthese in detail bekijken. We zullen leren wat een kunstmatig fotosynthesesysteem zou moeten kunnen, waarom het niet zo eenvoudig te ontwerpen is en welke processen momenteel in gebruik zijn.

Benaderingen van kunstmatige fotosynthese

Om de fotosynthese in planten na te bootsen, moeten we een energieconversiesysteem ontwerpen dat twee essentiële functies moet kunnen vervullen: het oogsten van zonlicht en het splitsen van watermoleculen.

Het chlorofyl dat in planten aanwezig is, helpt hen deze taken te volbrengen. Chlorofyl vangt zonlicht op. Een combinatie van enzymen en eiwitten gebruikt het opgevangen zonlicht vervolgens om H2O af te breken in zuurstof, waterstof en elektronen. De elektronen en waterstof zetten vervolgens CO2 om in koolhydraten, waarbij zuurstof vrijkomt.

Om een ​​kunstmatig fotosynthesesysteem te creëren dat energie levert voor menselijke behoeften, moet het eindresultaat veranderen. In plaats van uiteindelijk alleen maar zuurstof uit te stoten, zou het systeem ook vloeibare waterstof moeten vrijgeven. Die waterstof kunnen we gebruiken als vloeibare brandstof.

Het probleem dat onderzoekers tegenkwamen bij het ontwikkelen van een kunstmatig fotosynthesesysteem is niet het produceren van waterstof of het opvangen van zonlicht. De watermoleculen bevatten al waterstof en veel zonne-energiesystemen vangen zonlicht op. Het moeilijkste deel is het splitsen van watermoleculen. We moeten watermoleculen splitsen om elektronen te verkrijgen. Elektronen spelen een cruciale rol bij het faciliteren van het chemische proces dat waterstof produceert. Om watermoleculen te splitsen hebben we een energie-input van ongeveer 2.5 volt nodig. Voor dit proces is een katalysator nodig, die een chemische reactie op gang brengt door te reageren met de fotonen van de zon.

De belangrijkste katalysatoren die de afgelopen 5 tot 10 jaar zijn geïdentificeerd zijn:

• Mangaan
• Kleurstofgevoelig titaniumdioxide
• Kobaltoxide

Toepassingen van kunstmatige fotosynthese

De wereld kampt momenteel met een zeer tekort aan fossiele brandstoffen. Het verbranden van fossiele brandstoffen draagt ​​bij aan de opwarming van de aarde en klimaatverandering . Het verbranden van steenkool vervuilt het milieu en schaadt de menselijke gezondheid. Windturbines verstoren het visuele beeld van pittoreske landschappen. De productie van biobrandstof vereist enorme landbouwgrond en de huidige zonne-energie is duur en niet erg efficiënt. Kunstmatige fotosynthese biedt ons een ideale oplossing voor al onze energieproblemen.

Kunstmatige fotosynthese is voordeliger dan de gebruikelijke foto-elektrische cellen die tegenwoordig in zonnepanelen worden aangetroffen. Foto-elektrische cellen zetten zonlicht direct om in elektriciteit. Dit gebeurt alleen op het moment dat daglicht op de cellen valt. Daarom zijn zonnepanelen tijd- en weersafhankelijke energie. Dit is een van de redenen waarom zonne-energie duur is. Kunstmatige fotosynthese biedt ons echter een manier om energie op te slaan en te gebruiken wanneer we deze later nodig hebben.

De meeste alternatieve energieopwekkingsmethoden produceren slechts één type energie. Kunstmatige fotosynthese heeft daarentegen het potentieel om meer dan één type brandstof te produceren. We kunnen het fotosyntheseproces aanpassen, waardoor de reacties tussen CO2, H2O en zonlicht uiteindelijk vloeibare waterstof produceren. Waterstofmotoren kunnen deze vloeibare waterstof gebruiken in plaats van benzine. Waterstofbrandstofcellen wekken elektriciteit op. We kunnen deze elektriciteit gebruiken om onze airconditioners en boilers van stroom te voorzien.

We kunnen de reacties ook aanpassen om mogelijk methanol te produceren. In plaats van zuivere waterstof vrij te geven, zouden de foto-elektrochemische cellen die bij kunstmatige fotosynthese worden gebruikt, methanol als brandstof kunnen genereren. We mengen methanol vaak met gewone benzine, zodat het relatief schoner verbrandt. Sommige auto's rijden zelfs volledig op methanol.

Uitdagingen bij de ontwikkeling van kunstmatige fotosynthese

Kunstmatige fotosynthese werkt prima in het laboratorium. Het is echter nog niet klaar voor massaconsumptie. Het simuleren van de manier waarop de natuur zonlicht efficiënt in energie omzet, is zeker geen gemakkelijke taak.

Efficiëntie is een sleutelfactor bij de productie van energie. Het duurde een miljard jaar voordat de fotosynthese in planten efficiënt werkte. We proberen na te bootsen waar planten een miljard jaar over deden om zich in slechts een paar jaar te ontwikkelen. Daarom zal het creëren van een kunstmatig fotosynthesesysteem veel proefdraaien vergen.

Mangaan fungeert als katalysator in planten. Hetzelfde mangaan werkt echter niet zo goed in een kunstmatige omgeving. Wetenschappers hebben ontdekt dat mangaan niet lang meegaat in een kunstmatige omgeving. Ze ontdekten ook dat het niet oplost in water. Daarom zou het gebruik van een op mangaan gebaseerd energieconversiesysteem onpraktisch en inefficiënt zijn. Het andere obstakel dat onderzoekers tegenkwamen bij het nabootsen van het fotosyntheseproces in planten is dat planten een unieke moleculaire geometrie hebben: die is exact en complex. Onze menselijke systemen kunnen dat niveau van complexiteit niet opnieuw creëren.

In kleurstof-gesensibiliseerde cellen is de katalysator niet het probleem. In plaats daarvan is de elektrolytoplossing die protonen absorbeert uit gespleten watermoleculen de uitdaging. De oplossing is een cruciaal onderdeel van het systeem, maar bestaat uit vluchtige oplosmiddelen die andere systeemcomponenten kunnen eroderen.

De afgelopen jaren is er vooruitgang geboekt in de wetenschap en technologie om deze problemen aan te pakken. Onderzoekers die experimenteren met kleurstofgevoelige cellen hebben een niet-oplosmiddelgebaseerde oplossing gecreëerd die we kunnen gebruiken in plaats van de corrosieve oplossing.

Kunstmatige fotosynthese krijgt de aandacht van veel onderzoek en onderzoekers. Maar het zal nog minstens tien jaar duren voordat dit systeem werkelijkheid wordt.

Lees ook: Hoe werkt een lamp op zonne-energie?