Fotosintesis: mekanisme fundamental bagi kehidupan di planet ini, momok bagi mahasiswa biologi GCSE, dan kini menjadi cara potensial untuk melawan perubahan iklim. Para ilmuwan sedang bekerja keras untuk mengembangkan metode buatan yang meniru cara tumbuhan menggunakan sinar matahari untuk mengubah CO2 dan air menjadi sesuatu yang dapat kita gunakan sebagai bahan bakar. Jika berhasil, ini akan menjadi skenario win-win bagi kami: kami tidak hanya akan mendapatkan keuntungan dari energi terbarukan yang diproduksi dengan cara ini, tetapi juga bisa menjadi cara penting untuk mengurangi tingkat CO2 di atmosfer.
Namun, tanaman membutuhkan miliaran tahun untuk mengembangkan fotosintesis, dan mereplikasi apa yang terjadi di alam tidaklah selalu mudah. Saat ini, langkah-langkah dasar dalam fotosintesis buatan berhasil, tetapi tidak terlalu efisien. Kabar baiknya adalah bahwa penelitian di bidang ini semakin cepat dan ada kelompok di seluruh dunia yang mengambil langkah untuk memanfaatkan proses integral ini.
Fotosintesis dua langkah
Fotosintesis bukan hanya tentang menangkap sinar matahari. Seekor kadal yang mandi di bawah sinar matahari yang hangat bisa melakukan itu. Fotosintesis berkembang pada tumbuhan sebagai cara untuk menangkap dan menyimpan energi ini (bit foto) dan mengubahnya menjadi karbohidrat (bit sintesis). Tumbuhan menggunakan serangkaian protein dan enzim yang didukung oleh sinar matahari untuk melepaskan elektron, yang kemudian digunakan untuk mengubah CO2 menjadi karbohidrat kompleks. Pada dasarnya, fotosintesis buatan mengikuti langkah yang sama.
Lihat Tiang lampu terkait di London sedang diubah menjadi titik pengisian Energi matahari di Inggris: Bagaimana cara kerja tenaga surya dan apa keuntungannya?
Dalam fotosintesis alami, yang merupakan bagian dari siklus karbon alami, kita memiliki cahaya, CO2 dan air yang masuk ke dalam tumbuhan dan tumbuhan menghasilkan gula, jelas Phil De Luna, seorang kandidat PhD yang bekerja di Departemen Teknik Listrik dan Komputer di Universitas tersebut. dari Toronto. Dalam fotosintesis buatan, kami menggunakan perangkat dan bahan anorganik. Bagian pemanenan matahari sebenarnya dilakukan oleh sel surya dan bagian konversi energi dilakukan oleh katalis elektrokimia [reaksi di hadapan].
Yang paling menarik dari proses ini adalah kemampuan menghasilkan bahan bakar untuk penyimpanan energi jangka panjang. Ini jauh lebih dari apa yang dapat dilakukan oleh sumber energi terbarukan saat ini, bahkan dengan teknologi baterai yang sedang berkembang. Jika matahari tidak terbit atau hari tidak berangin, misalnya, panel surya dan ladang angin berhenti berproduksi. Untuk penyimpanan dan penyimpanan musiman yang berkepanjangan dalam bahan bakar kompleks, kami membutuhkan solusi yang lebih baik, kata De Luna. Baterai sangat bagus untuk digunakan sehari-hari, untuk ponsel dan bahkan untuk mobil, tapi kami tidak akan pernah menjalankan [Boeing] 747 dengan baterai.
Tantangan untuk dipecahkan
Dalam hal pembuatan sel surya - langkah pertama dalam proses fotosintesis buatan - kita sudah memiliki teknologinya: sistem tenaga surya. Namun, panel fotovoltaik saat ini, yang biasanya sistem berbasis semikonduktor, relatif mahal dan tidak efisien dibandingkan dengan alam. Dibutuhkan teknologi baru; salah satu yang membuang energi jauh lebih sedikit.
Gary Hastings dan timnya dari Universitas Negeri Georgia, Atlanta , mungkin telah tersandung pada titik awal ketika melihat proses asli pada tumbuhan. Dalam fotosintesis, titik krusial melibatkan perpindahan elektron pada jarak tertentu di dalam sel. Dalam istilah yang sangat sederhana, gerakan yang disebabkan oleh sinar matahari inilah yang kemudian diubah menjadi energi. Hastings menunjukkan bahwa proses ini sangat efisien karena elektron-elektron ini tidak dapat kembali ke posisi semula: Jika elektron kembali ke asalnya, energi matahari akan hilang. Meskipun kemungkinan ini jarang terjadi pada tumbuhan, hal ini cukup sering terjadi di panel surya, menjelaskan mengapa mereka kurang efisien daripada yang sebenarnya.
Hastings yakin penelitian ini kemungkinan akan memajukan teknologi sel surya yang terkait dengan bahan kimia atau produksi bahan bakar, tetapi dia dengan cepat menunjukkan bahwa ini hanyalah ide saat ini dan kemajuan ini tidak mungkin terjadi dalam waktu dekat. Dalam hal fabrikasi teknologi sel surya buatan yang dirancang berdasarkan ide-ide ini, saya percaya bahwa teknologi akan semakin jauh di masa depan, kemungkinan besar tidak dalam lima tahun ke depan bahkan untuk prototipe.
Satu masalah yang diyakini peneliti hampir bisa kita selesaikan melibatkan langkah kedua dalam proses: mengubah CO2 menjadi bahan bakar. Karena molekul ini sangat stabil dan membutuhkan energi yang sangat besar untuk memecahnya, sistem buatan menggunakan katalis untuk menurunkan energi yang dibutuhkan dan membantu mempercepat reaksi. Namun, pendekatan ini membawa masalah tersendiri. Ada banyak upaya selama sepuluh tahun terakhir, dengan katalis yang terbuat dari mangan, titanium, dan kobalt, tetapi penggunaan jangka panjang telah membuktikan dirinya sebagai masalah. Teorinya mungkin tampak bagus, tetapi mereka berhenti bekerja setelah beberapa jam, menjadi tidak stabil, lambat atau memicu reaksi kimia lain yang dapat merusak sel.
Tapi kolaborasi antara peneliti Kanada dan Cina tampaknya telah mendapatkan jackpot . Mereka menemukan cara untuk menggabungkan nikel, besi, kobalt dan fosfor untuk bekerja dalam pH netral, yang membuat sistem berjalan jauh lebih mudah. Karena katalis kami dapat bekerja dengan baik dalam elektrolit pH netral, yang diperlukan untuk reduksi CO2, kami dapat menjalankan elektrolisis reduksi CO2 dalam [a] sistem tanpa membran, dan karenanya tegangan dapat diturunkan, kata Bo Zhang, dari Departemen. Ilmu Makromolekuler di Universitas Fudan, Cina. Dengan konversi daya listrik-ke-kimia 64% yang mengesankan, tim ini sekarang menjadi pemegang rekor dengan efisiensi tertinggi untuk sistem fotosintesis buatan.
cara menggunakan localcast dengan kodi
Masalah terbesar dengan apa yang kita miliki saat ini adalah skala
Atas upaya mereka, tim mencapai semifinal di NRG COSIA Carbon XPRIZE, yang dapat memenangkan $ 20 juta untuk penelitian mereka. Tujuannya adalah untuk mengembangkan teknologi terobosan yang akan mengubah emisi CO2 dari pembangkit listrik dan fasilitas industri menjadi produk yang berharga dan dengan sistem fotosintesis buatan yang ditingkatkan, mereka memiliki peluang bagus.
Tantangan berikutnya adalah meningkatkan. Masalah terbesar dengan apa yang kita miliki saat ini adalah skala. Saat kami meningkatkan, kami akhirnya kehilangan efisiensi, kata De Luna, yang juga terlibat dalam penelitian Zhang. Untungnya, para peneliti belum menghabiskan daftar peningkatan mereka, dan sekarang mencoba membuat katalis lebih efisien melalui komposisi yang berbeda dan konfigurasi yang berbeda.
Menang di dua bidang
Memang masih ada ruang untuk perbaikan baik dalam jangka pendek maupun panjang, tetapi banyak yang merasa fotosintesis artifisial berpotensi menjadi alat penting sebagai teknologi yang bersih dan berkelanjutan untuk masa depan.
Ini sangat menarik karena lapangan bergerak sangat cepat. Dalam hal komersialisasi, kami berada di titik kritis, kata De Luna, menambahkan bahwa, apakah berhasil akan bergantung pada banyak faktor, termasuk kebijakan publik dan adopsi industri untuk menerima teknologi energi terbarukan.
Jadi, menjalankan ilmu dengan benar hanyalah langkah pertama. Setelah penelitian oleh orang-orang seperti Hastings dan Zhang akan datang langkah penting untuk menyerap fotosintesis buatan ke dalam strategi global kita seputar energi terbarukan. Taruhannya tinggi. Jika berhasil, kami akan menang di dua sisi - tidak hanya memproduksi bahan bakar dan produk kimia, tetapi juga mengurangi jejak karbon kami dalam prosesnya.
