Wetenschap

Kunstmatig blad helpt onderzoekers vooruitgang te boeken door fotonen in brandstof te veranderen

Kunstmatig blad helpt onderzoekers vooruitgang te boeken door fotonen in brandstof te veranderen

Buiten het California Institute of Technology strekken planten en bloemen hun bladeren uit en sturen hun wortels dieper de grond in. Ze gebruiken energie om suikers op te slaan en voor hen is fotosynthese gemakkelijk. Ondertussen steken 80 meer dan 80 onderzoekers in het laboratorium van Caltech Jorgensen veel moeite in een kunstmatig blad en doen ze wat de bladeren van planten zo gemakkelijk doen. Ze gebruiken hiervoor nikkel, ijzer, silicium en vele andere materialen die je normaal gesproken associeert met het gebruik in mobiele telefoons dan met plantencellen.

[Afbeeldingsbron:Viktor Koen]

De labs zijn de thuisbasis van het Joint Center for Artificial Photosynthesis. Dit is een onderzoeksprogramma waar meer dan 190 mensen bij betrokken zijn, en waarvoor financiering beschikbaar is US $ 116 miljoen over een periode van vijf jaar van het Amerikaanse ministerie van Energie. Het doel van het centrum en de onderzoekers is om gebruik te maken van zonlicht en waterstof samen met andere brandstoffen veel efficiënter te maken dat bladeren in de natuur biomassa maken.

De onderzoekers ondernemen dit doel met gevoel voor urgentie. In de omgeving van 13% van de uitstoot over de hele wereld komen broeikasgassen door middel van transport. Een van de belangrijkste doelen is daarom om vervuilende brandstoffen uit te faseren. Een manier om dit te doen zou zijn door lichte vrachtwagens en auto's te vervangen door voertuigen die rijden op elektriciteit die afkomstig is van wind- of zonnecellen. Dit zou echter niet voldoende zijn om het hele probleem op te lossen. De wetenschappelijk directeur van de JCAP en anorganische chemicus aan de Caltech University, Nathan Lewis, zei dat rond 40% van het transport van de wereld kon niet op elektriciteit draaien. Meestal vanwege het feit dat sommige voertuigen, zoals vliegtuigen, niet konden worden aangesloten omdat ze niet de hoeveelheid batterijen zouden kunnen bevatten die nodig zijn.

Hierdoor gebruiken financieringsinstanties van over de hele wereld veel middelen om te proberen brandstof te maken uit de kracht van de zon. Dit type stroom raakt niet op en het is koolstofvrij, wat bonussen zijn. JCAP heeft zich ertoe verbonden een prototype te leveren dat werkt op een kunstmatig blad voordat de subsidie ​​in 2015 afloopt.

Michael Wasielewski, een chemicus aan de Northwestern University in Evanston, Illinois, zei: "Als je dit soort inspanningen de komende tien jaar zou kunnen volhouden, is het denkbaar dat je een praktische oplossing hebt.

Kunstmatige fotosynthese is niet iets nieuws, het gaat in feite terug naar 1912Echter, onderzoekers begonnen pas aan het begin van 1972. Het waren onderzoekers in Japan die schetsten wat er nodig zou zijn om een ​​apparaat in staat te stellen zonlicht op te nemen en dat zonlicht vervolgens te gebruiken om samen met waterstofbrandstof water in zuurstof te splitsen.

Het was in 1998 toen een compleet systeem een ​​grote doorbraak en vooruitgang liet zien. Dit was toen het in staat was om op te slaan 12% van de zonne-energie die binnenkwam, als brandstof. Dit was in vergelijking met de 1% van energie opgeslagen in echte bladeren als biomassa. De keerzijde waren de kosten die veel te hoog waren om concurrerend te zijn. Tegelijkertijd werd gezegd dat de uitvoering na zonneschijn afnam 20 uur.

Lewis wees erop dat er drie dingen nodig waren om een ​​kunstblad tot een succes te maken. "U wilt dat het efficiënt, goedkoop en robuust is. Ik kan je er vandaag twee geven, maar niet de derde tegelijk.”

Het doel van JCAP was om dit probleem op te lossen en daarmee een systeem te creëren dat een stuk goedkoper was dan het splitsen van water met elektriciteit met behulp van zonnepanelen. Hun antwoord was twee elektroden die ze onderdompelden in een oplossing van water. Elk van deze elektroden heeft halfgeleidermateriaal dat is gekozen om licht van een deel van het zonnespectrum op te vangen, en dat het is bedekt met een katalysator om de generatie van zuurstof of waterstof te helpen bij snelheden die nuttig waren. Net als bij elk apparaat voor kunstmatige fotosynthese, is het systeem dat JCAP bedacht, gedeeld door een membraan om ervoor te zorgen dat de gassen die daaruit voortkomen uit elkaar worden gehouden en geen risico lopen op het veroorzaken van een explosieve reactie.

Lewis legde uit dat het een grote uitdaging was om een ​​van de componenten van het kunstmatige blad te laten werken. Hij zei "Dit is precies zoals het bouwen van een vliegtuigJe moet niet alleen een motor hebben, je moet een ontwerp hebben met vleugels en de romp en de motor en de avionica - en het vliegtuig moet uiteindelijk vliegen.”

Het vinden van de juiste materialen was een van de moeilijkste dingen die ze moesten doen. Het High Throughput Experimentation lab van JCAP heeft de taak gekregen om problemen met materialen op te lossen. Ze hebben aangepaste inkjetprinters om legeringen op glasplaten te sturen, die ze vervolgens testen als foto-absorptiemiddelen en katalysatoren. De gemodificeerde printers kunnen er maar liefst een miljoen vlekken per dag.

Lewis zei dat "De grootste energiebron die we hebben is verreweg de zon.De beste manier om energie op te slaan, behalve in de kern van een atoom, is in chemische brandstoffen. Het is onvermijdelijk dat iemand de grootste bron neemt en deze op de meest compacte manier opslaat.”


Bekijk de video: Onderzoeker Bart Rijnders hoopt dat het coronavirus sneller uitgeschakeld wordt door plasma van g.. (Juli- 2021).