Kaip dirbtinė fotosintezė gali pakeisti energijos gamybą? Mokslininkų vizija ir iššūkiai

Dirbtinė fotosintezė vis dažniau minima kaip viena perspektyviausių švarios energijos krypčių ateičiai.

Mokslininkai siekia laboratorijose atkartoti augalų gebėjimą saulės šviesą paversti chemine energija ir taip kurti naują, klimato kaitai draugišką kuro šaltinį.

Kas yra dirbtinė fotosintezė?

Naturali fotosintezė vyksta augalų lapuose, kur šviesos pagalba iš vandens ir anglies dioksido sukuriamos maistinės medžiagos ir deguonis.

Dirbtinė fotosintezė bando pakartoti šį procesą naudodama žmogaus sukurtas sistemas – specialius katalizatorius, puslaidininkius ir chemines medžiagas.

Paprastai tokios sistemos sudarytos iš dviejų pagrindinių dalių – šviesą sugeriančio elemento ir katalizatorių, kurie valdo chemines reakcijas.

Užfiksavus saulės energiją, ji panaudojama vandeniui ar anglies dioksidui skaidyti į energetiškai turtingas molekules, pavyzdžiui, vandenilį ar angliavandenilius.

Kaip tai skiriasi nuo saulės baterijų?

Saulės baterijos saulės šviesą paverčia elektra, kurią reikia nedelsiant vartoti arba kaupti baterijose.

Dirbtinė fotosintezė iš šviesos sukuria cheminį kurą, kurį galima kaupti talpyklose, transportuoti ir naudoti tada, kai reikia.

Didelis privalumas tas, kad toks kuras teoriškai gali būti gaminamas iš paprastų žaliavų – vandens ir anglies dioksido iš oro ar pramoninių išmetamųjų dujų.

Degant šiam kurui vėl išsiskiria anglies dioksidas, tačiau bendra grandinė gali būti beveik neutrali klimatui, jei anglies dioksidas paimamas iš aplinkos, o ne iš naujų iškastinio kuro šaltinių.

Didžiausi technologiniai iššūkiai

Vienas svarbiausių iššūkių – efektyvumas.

Dabartinės dirbtinės fotosintezės sistemos dar dažnai paverčia tik nedidelę dalį saulės šviesos į cheminį kurą, todėl jų gamyba ir eksploatavimas išlieka brangūs.

Antroji problema – medžiagų ilgaamžiškumas.

Daugelis katalizatorių ir šviesą sugeriančių medžiagų laikui bėgant suskyla ar nustoja veikti, ypač kontaktuodamos su vandeniu, druskomis ar teršalais.

Mokslininkams tenka ieškoti pigių ir gausių medžiagų, kurios galėtų pakeisti retus ir brangius metalus, pavyzdžiui, platinos grupės elementus.

Tuo pat metu reikia užtikrinti, kad naujos medžiagos būtų saugios aplinkai ir nenuodingos.

Potencialas klimato kaitos mažinimui

Jei dirbtinė fotosintezė taptų pakankamai efektyvi ir pigi, ji galėtų reikšmingai sumažinti priklausomybę nuo iškastinio kuro.

Tokia technologija leistų gaminti vandenilį ar skystą kurą naudojant tik saulės šviesą, vandenį ir anglies dioksidą.

Pramonėje dirbtinė fotosintezė galėtų padėti dekarbonizuoti sunkiai elektrifikuojamus sektorius, pavyzdžiui, aviaciją, jūrų transportą ar cheminių medžiagų gamybą.

Šiose srityse tiesioginis perėjimas prie elektros dažnai yra sudėtingas, todėl energijai reikalingos skystos ar dujinės medžiagos.

Be to, technologija galėtų padėti panaudoti pertekline saulės energiją, gaminamą saulėtą dieną, ją paverčiant stabiliu ir saugiai sandėliuojamu kuru.

Taip būtų išspręsta dalis kintančios saulės ir vėjo energijos problemų.

Ką tai gali reikšti Lietuvai?

Lietuva jau dabar sparčiai didina saulės elektrinių galią ir plėtoja atsinaujinančią energetiką.

Atsiradus brandžiai dirbtinės fotosintezės technologijai, šalies energetikos sistema galėtų gauti dar vieną įrankį mažinti priklausomybę nuo importuojamų degalų.

Lietuvos mokslininkai dalyvauja medžiagų mokslo, katalizės ir saulės energetikos tyrimuose, kurie susiję su dirbtinės fotosintezės plėtra.

Universitetuose ir tyrimų institutuose vystomos naujos plonosios plėvelės, puslaidininkiai ir kataliziniai paviršiai, galintys tapti būsimos technologijos dalimi.

Pramonėje dirbtinė fotosintezė galėtų būti integruota į chemijos, trąšų, naftos produktų terminalus ar cementą gaminančias įmones.

Tokiu būdu būtų galima dalį išmetamo anglies dioksido paversti naudingu kuru arba žaliavomis.

DI ir skaitmeniniai dvyniai laboratorijoje

Pastaraisiais metais prie dirbtinės fotosintezės pažangos vis dažniau prisideda dirbtinis intelektas.

DI modeliai naudojami prognozuoti, kokie medžiagų deriniai ir struktūros galėtų geriausiai sugerti šviesą ir skatinti norimas chemines reakcijas.

Sukuriami vadinamieji skaitmeniniai eksperimentų dvyniai, kurie leidžia kompiuteryje išbandyti tūkstančius variantų, prieš pradedant realius bandymus laboratorijoje.

Taip taupomas tyrėjų laikas ir lėšos, o atradimų ciklas gerokai sutrumpėja.

Lietuvos informacinių technologijų ir medžiagų mokslo specialistai taip pat jungia jėgas kurdami skaitmeninius modelius, kurie ateityje galėtų būti taikomi ir dirbtinei fotosintezei.

Tokia sinergija tarp chemikų, fizikų ir DI kūrėjų tampa vis svarbesnė šiuolaikiniame moksle.

Kol kas dirbtinė fotosintezė vis dar yra laboratorinių ir bandomųjų projektų stadijoje.

Tačiau daugelis mokslininkų sutaria, kad ilgalaikėje perspektyvoje ji gali tapti viena iš kertinių švarių energijos technologijų.