광합성 : 지구상의 생명체를위한 기본 메커니즘, GCSE 생물학 학생들의 재앙, 그리고 이제 기후 변화에 맞서 싸우는 잠재적 인 방법입니다. 과학자들은 식물이 햇빛을 사용하여 CO2와 물을 연료로 사용할 수있는 것으로 바꾸는 방식을 모방하는 인공적인 방법을 개발하기 위해 열심히 노력하고 있습니다. 이것이 효과가 있다면 우리에게 윈윈 시나리오가 될 것입니다. 이러한 방식으로 생산 된 재생 에너지의 혜택을받을뿐만 아니라 대기 중 CO2 수준을 줄이는 중요한 방법이 될 수도 있습니다.
그러나 식물이 광합성을 개발하는 데 수십억 년이 걸렸고 자연에서 일어나는 일을 복제하는 것이 항상 쉬운 일은 아닙니다. 현재 인공 광합성의 기본 단계는 작동하지만 매우 효율적이지 않습니다. 좋은 소식은이 분야의 연구가 속도를 높이고 있으며이 통합 프로세스를 활용하기위한 조치를 취하는 전 세계 그룹이 있다는 것입니다.
2 단계 광합성
광합성은 단순히 햇빛을 포착하는 것이 아닙니다. 따뜻한 태양 아래서 목욕하는 도마뱀은 그렇게 할 수 있습니다. 광합성은이 에너지 (사진 비트)를 포착하고 저장하고이를 탄수화물 (합성 비트)로 변환하는 방법으로 식물에서 진화했습니다. 식물은 햇빛에 의해 구동되는 일련의 단백질과 효소를 사용하여 전자를 방출하고, 이는 차례로 CO2를 복잡한 탄수화물로 변환하는 데 사용됩니다. 기본적으로 인공 광합성은 동일한 단계를 따릅니다.
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자연 탄소 순환의 일부인 자연 광합성에서 우리는 빛, CO2 및 물이 식물로 들어가고 식물이 설탕을 만든다고 대학의 전기 및 컴퓨터 공학과에서 근무하는 PhD 후보 인 Phil De Luna는 설명합니다. 토론토 인공 광합성에서 우리는 무기 장치와 재료를 사용합니다. 실제 태양열 수확 부분은 태양 전지에 의해 수행되고 에너지 변환 부분은 전기 화학적 [존재 하의 반응] 촉매에 의해 수행됩니다.
이 과정에서 정말 매력적인 것은 장기적인 에너지 저장을위한 연료를 생산할 수 있다는 것입니다. 이것은 신흥 배터리 기술로도 현재 재생 가능 에너지 원이 할 수있는 것보다 훨씬 더 많은 것입니다. 예를 들어 태양이 꺼지지 않거나 바람이 부는 날이 아니면 태양 전지판과 풍력 발전 단지는 생산을 중단합니다. 복잡한 연료의 장기간 저장 및 저장을 위해서는 더 나은 솔루션이 필요하다고 De Luna는 말합니다. 배터리는 일상적인 휴대 전화, 심지어 자동차 용으로도 좋지만 배터리로 [Boeing] 747을 실행하지는 않을 것입니다.
해결해야 할 과제
인공 광합성 과정의 첫 번째 단계 인 태양 전지를 만들 때 우리는 이미 태양 광 발전 시스템이라는 기술을 갖추고 있습니다. 그러나 일반적으로 반도체 기반 시스템 인 현재의 태양 광 패널은 자연에 비해 상대적으로 비싸고 비효율적입니다. 새로운 기술이 필요합니다. 훨씬 적은 에너지를 낭비하는 것입니다.
게리 헤이스팅스와 그의 팀 Georgia State University, 애틀랜타 , 식물의 원래 프로세스를 볼 때 시작 지점에서 우연히 발견되었을 수 있습니다. 광합성에서 중요한 점은 세포에서 특정 거리에 걸쳐 전자를 이동시키는 것입니다. 아주 간단하게 말하면 햇빛에 의한 움직임이 나중에 에너지로 변환됩니다. Hastings는 이러한 전자가 원래 위치로 돌아갈 수 없기 때문에 그 과정이 본질적으로 매우 효율적이라는 것을 보여주었습니다. 전자가 원래 위치로 돌아 가면 태양 에너지가 손실됩니다. 이 가능성은 식물에서는 드물지만 태양 전지판에서는 자주 발생하여 실제보다 효율성이 떨어지는 이유를 설명합니다.
Hastings는이 연구가 화학 또는 연료 생산과 관련된 태양 전지 기술을 발전시킬 것이라고 믿지만, 이것은 현재로서는 단지 아이디어 일 뿐이며 이러한 발전은 조만간 일어날 것 같지 않다는 점을 재빨리 지적합니다. 이러한 아이디어를 바탕으로 설계된 완전 인공 태양 전지 기술의 제작 측면에서 볼 때, 프로토 타입의 경우에도 향후 5 년 이내에는 기술이 더 멀어 질 것이라고 생각합니다.
연구원들이 우리가 해결에 가까워 졌다고 생각하는 한 가지 문제는 프로세스의 두 번째 단계 인 CO2를 연료로 전환하는 것입니다. 이 분자는 매우 안정적이며 파괴하는 데 엄청난 양의 에너지가 필요하기 때문에 인공 시스템은 촉매를 사용하여 필요한 에너지를 낮추고 반응 속도를 높입니다. 그러나이 접근 방식은 고유 한 문제를 가져옵니다. 지난 10 년 동안 망간, 티타늄 및 코발트로 만든 촉매를 사용하여 많은 시도가 있었지만 장기간 사용하는 것이 문제로 판명되었습니다. 이론은 좋게 보일 수 있지만 몇 시간 후에 작동을 멈추거나 불안정 해 지거나 느려지거나 세포를 손상시킬 수있는 다른 화학 반응을 유발합니다.
그러나 캐나다와 중국 연구자들의 협력이 대박을 터뜨린 것 같습니다 . 그들은 니켈, 철, 코발트 및 인을 결합하여 중성 pH에서 작동하는 방법을 발견하여 시스템을 상당히 쉽게 운영 할 수 있습니다. 우리의 촉매는 CO2 감소에 필요한 중성 pH 전해질에서 잘 작동 할 수 있기 때문에 [a] 막이없는 시스템에서 CO2 감소의 전기 분해를 실행할 수 있으므로 전압을 낮출 수 있다고 Department의 Bo Zhang은 말합니다. 중국 푸단대 학교 고분자 과학 박사. 인상적인 64 %의 전기-화학적 전력 변환을 통해 팀은 이제 인공 광합성 시스템에 대해 가장 높은 효율성을 가진 기록 보유자입니다.
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지금 우리가 가진 가장 큰 문제는 규모입니다.
그들의 노력으로 팀은 NRG COSIA Carbon XPRIZE에서 준결승에 도달하여 연구로 2 천만 달러를 획득 할 수있었습니다. 목표는 발전소 및 산업 시설에서 배출되는 CO2를 가치있는 제품으로 전환하고 개선 된 인공 광합성 시스템을 통해 좋은 기회를 얻을 수있는 획기적인 기술을 개발하는 것입니다.
다음 과제는 확장입니다. 현재 우리가 가지고있는 가장 큰 문제는 규모입니다. 규모를 확장하면 결국 효율성이 떨어집니다. Zhang의 연구에도 참여한 De Luna는 말합니다. 다행히도 연구자들은 개선 사항 목록을 모두 사용하지 않았으며 현재 다양한 구성과 다양한 구성을 통해 촉매를보다 효율적으로 만들기 위해 노력하고 있습니다.
두 전선에서 승리
확실히 장 단기적으로 개선의 여지가 있지만 많은 사람들은 인공 광합성이 미래를위한 깨끗하고 지속 가능한 기술로서 중요한 도구가 될 잠재력을 가지고 있다고 생각합니다.
현장이 너무 빨리 움직이기 때문에 매우 흥미 롭습니다. De Luna는 상업화 측면에서 전환점에 있으며, 그것이 작동하는지 여부는 공공 정책과 재생 에너지 기술을 수용하기위한 업계의 채택을 포함한 많은 요인에 달려 있다고 덧붙였습니다.
과학을 올바르게 이해하는 것은 실제로 첫 번째 단계 일뿐입니다. Hastings와 Zhang과 같은 연구의 여파로 인공 광합성을 재생 에너지에 대한 우리의 글로벌 전략에 흡수하기위한 결정적인 움직임이 올 것입니다. 위험이 높습니다. 이것이 성공하면 우리는 연료와 화학 제품을 생산할뿐만 아니라 그 과정에서 탄소 발자국을 줄이는 두 가지 측면에서 승리 할 수 있습니다.
