Фотосинтез искусственного листа оказался эффективней природного

Высокая эффективность натурального фотосинтеза является определенным ориентиром в развитии отрасли солнечной энергетики. Однако теперь, этот природный пример высокой производительности может оказаться устаревшим. Впервые учёным удалось эффективно совместить химический электролиз с деятельностью

Впервые учёным удалось эффективно совместить химический электролиз с деятельностью бактерий. Система производит спирт и другие вещества буквально «из воздуха»

Исследователи из Гарвардского университета создали бионическую систему, которая преобразует и сохраняет солнечную энергию в химическом виде, используя гибридный механизм из неорганических материалов и живых микроорганизмов. Такая схема помогает решить сразу две проблемы: 1) сохранение солнечной энергии, которая производится в избытке в светлое время суток и которой не хватает вечером; 2) устранение лишнего CO2 из атмосферы.

Новое изобретение превосходит по эффективности все существующие подобные разработки и даже превосходит фотосинтез в естественной природе. Научная статья опубликована 3 июня в журнале Science.

Устройство, получившее название Bionic leaf 2.0, создано на основе предыдущей версии листа, разработкой которого занималась та же команда ученых. Энергогенерирующая система состоит из солнечной панели, зажатой между листами кобальтового катализатора и ячейки с бактериями Ralstonia eutropha, занимающими нижнюю половину листа. При погружении в сосуд с водой при комнатной температуре и нормальном давлении искусственный лист имитирует фотосинтез. Ток из солнечных пластин Bionic leaf 2.0 подается на катализаторы, которые расщепляют молекулы воды на кислород и водород. Затем водород попадает в ячейки с ГМ-бактериям, которые отличаются тем, что могут соединять молекулы водорода с полученным из воздуха углеродом и превращают их в жидкое топливо.

Полученный водород уже можно было бы использовать в качестве топлива, но учёные решили усложнить систему, чтобы сделать её более эффективной. На следующем этапе в дело вступают бактерии Ralstonia eutropha, которые питаются водородом и CO2 из атмосферы. Благодаря этим питательным веществам колония бактерий активно увеличивается в размерах. Среди продуктов жизнедеятельности микроорганизмов — различные полезные химикаты. Учёные экспериментировали с генетическими модификациями и вывели бактерий, производящих различные виды спирта (C3 и C4+C5 на диаграммах) и прекурсоры пластика (PHB на диаграммах).

Читайте также: Искусственный лист с помощью фотосинтеза генерирует энергию с большей эффективностью, чем живые растения

«Для этой работы мы разработали новый катализатор на основе кобальта и фосфора, который не производит реактивных форм кислорода. Это позволило снизить нам напряжение, что привело к резкому росту эффективности», — комментирует один из авторов работы.

Учёные уже десятилетиями пытаются выращивать бактерий на электродах, чтобы заставить их принять участие в химической цепочке реакций, но в этом процессе постоянно возникали разные проблемы, которые мешали создать по-настоящему эффективную систему

Главные из этих проблем — выщелачивание тяжёлых металлов из электродов, а также появление кислорода в активной форме. Оба этих процесса угнетают жизнь счастливых, здоровых бактерий. Важным открытием химиков из Гарварда стало использование системы электролиза с катодом и анодом на основе кобальта. По существу, катод и анод производят синергетический эффект, представляя собой самозаживляющуюся систему. Если один деградирует, второй снабжает его веществами, и наоборот.

«Я думаю, это на самом деле довольно волнующее исследование, — прокомментировал работу коллег Йоханнес Лишнер (Johannes Lischner) из Имперского колледжа Лондона. — Преобразование солнечного света в химическое топливо с высокой эффективностью — что-то вроде чаши Святого Грааля для возобновляемой энергетики».

По мнению независимых специалистов, которые не имеют отношения к данному исследованию, научная работа действительно революционная. Впервые в истории учёным удалось совместить химический электролиз с деятельностью бактерий с высоким КПД преобразования и сохранения энергии. Работы в этом направлении шли с 1960-х годов.

Авторы исследования сумели добиться эффективности восстановления CO2 около 50% с производством бактериальной биомассы и жидкого спирта. На 1 кВтч электричества расходуется 180 граммов CO2.

Если совместить эту систему с обычными фотоэлементами, то эффективность восстановления CO2 составит около 10% — это выше, чем в природном фотосинтезе!

Учёные предполагают, что их система эффективного электролиза с преобразованием энергии в жидкое топливо найдёт применение, в первую очередь, в развивающихся странах, где нет развитой электрической инфраструктуры, чтобы распределять и сохранять электричество, сгенерированное солнечными панелями в дневное время.

Читайте также: Создан искусственный лист, использующий солнечный свет для создания водорода для топливных элементов

В будущем технология может найти очень широкое применение. Очень важно, что бактерии поддаются генной инженерии и подходят для производства не только спирта, но и других материалов. Всё это можно получать в неограниченном количестве буквально из воздуха и солнечного света, как сказал в научном подкасте Брендан Колон (Brendan Colón), один из авторов научной работы.

Система решает проблему с хранением сгенерированного электричества, но ещё и помогает извлечь какую-то пользу от излишнего CO2, который человечество выбрасывает в атмосферу, сжигая миллионы тонн углеводородов ежегодно.

Видео: Бионический лист превращает солнечный свет в жидкое топливо