วิทยาศาสตร์

ใบไม้ประดิษฐ์ช่วยให้นักวิจัยเปลี่ยนโฟตอนเป็นเชื้อเพลิงได้

ใบไม้ประดิษฐ์ช่วยให้นักวิจัยเปลี่ยนโฟตอนเป็นเชื้อเพลิงได้

พืชและดอกไม้ภายนอกสถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนียกำลังยืดใบและส่งรากลงลึกลงไปในดิน พวกเขากำลังใช้พลังงานในการกักเก็บน้ำตาลและสำหรับพวกเขาการสังเคราะห์แสงเป็นเรื่องง่าย ในขณะเดียวกันภายในห้องปฏิบัติการ Caltech Jorgensen นักวิจัยกว่า 80 คนกำลังใช้ความพยายามอย่างมากในการประดิษฐ์ใบไม้และทำในสิ่งที่ใบไม้ของพืชทำได้อย่างง่ายดาย พวกเขากำลังทำสิ่งนี้โดยใช้นิกเกิลเหล็กซิลิคอนและวัสดุอื่น ๆ อีกมากมายที่คุณมักจะเชื่อมโยงกับการใช้งานในโทรศัพท์มือถือมากกว่าที่คุณจะทำกับเซลล์พืช

[ที่มาของภาพ:วิคเตอร์โคเอ็น]

ห้องปฏิบัติการดังกล่าวเป็นที่ตั้งของศูนย์ร่วมเพื่อการสังเคราะห์ด้วยแสงเทียม นี่คือโครงการวิจัยที่มีผู้เข้าร่วมมากกว่า 190 คนซึ่งมีเงินทุนสนับสนุนในการปรับแต่ง 116 ล้านเหรียญสหรัฐ ในช่วงเวลาหนึ่งของ ห้าปี จากกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ เป้าหมายของศูนย์และนักวิจัยคือการใช้ประโยชน์จากแสงแดดและสร้างไฮโดรเจนร่วมกับเชื้อเพลิงอื่น ๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นซึ่งใบไม้ในธรรมชาติสร้างมวลชีวภาพ

นักวิจัยกำลังดำเนินการตามเป้าหมายนี้ด้วยความรู้สึกเร่งด่วน รอบ ๆ 13% ของการปล่อย ก๊าซเรือนกระจกทั่วโลกมาจากการขนส่ง เป้าหมายสำคัญประการหนึ่งคือการกำจัดเชื้อเพลิงที่ก่อให้เกิดมลพิษ วิธีหนึ่งในการทำเช่นนี้คือการเปลี่ยนรถบรรทุกขนาดเล็กและรถยนต์ด้วยยานพาหนะที่ใช้พลังงานไฟฟ้าซึ่งมาจากลมหรือเซลล์แสงอาทิตย์ อย่างไรก็ตามสิ่งนี้ไม่เพียงพอที่จะจัดการกับปัญหาทั้งหมด ผู้อำนวยการด้านวิทยาศาสตร์ของ JCAPs และนักเคมีอนินทรีย์จาก Caltech University, Nathan Lewis กล่าวว่า 40% การคมนาคมของโลกไม่สามารถผลิตไฟฟ้าได้ ส่วนใหญ่เป็นความจริงที่ว่ายานพาหนะบางชนิดเช่นเครื่องบินไม่สามารถเสียบปลั๊กได้เนื่องจากไม่สามารถรองรับปริมาณแบตเตอรี่ที่ต้องการได้

เนื่องจากหน่วยงานให้ทุนจากทั่วโลกกำลังใช้ทรัพยากรมากมายเพื่อพยายามสร้างเชื้อเพลิงจากพลังของดวงอาทิตย์ พลังงานประเภทนี้จะไม่หมดลงและไม่มีคาร์บอนซึ่งเป็นโบนัส JCAP มุ่งมั่นที่จะส่งมอบต้นแบบที่ใช้งานได้จากใบไม้ประดิษฐ์ก่อนที่ทุนจะสิ้นสุดในปี 2558

Michael Wasielewski นักเคมีจาก Northwestern University ใน Evanston รัฐอิลลินอยส์กล่าวว่า“หากคุณสามารถรักษาความพยายามประเภทนี้ไว้ได้ในอีกสิบปีข้างหน้าก็เป็นไปได้ที่คุณจะมีทางออกที่ใช้ได้

การสังเคราะห์ด้วยแสงไม่ใช่สิ่งที่แปลกใหม่ แต่อย่างใด 1912อย่างไรก็ตามนักวิจัยไม่ได้เริ่มผลักดันสิ่งต่างๆจนกว่าจะถึงจุดเริ่มต้นของ 1972. เป็นนักวิจัยในญี่ปุ่นได้ระบุสิ่งที่จำเป็นเพื่อให้อุปกรณ์สามารถรับแสงแดดและใช้แสงแดดเพื่อแยกน้ำเป็นออกซิเจนพร้อมกับเชื้อเพลิงไฮโดรเจน

มันอยู่ใน 1998 เมื่อระบบสมบูรณ์แสดงให้เห็นถึงความก้าวหน้าและความก้าวหน้าครั้งใหญ่ นี่คือตอนที่สามารถเก็บ 12% ของพลังงานแสงอาทิตย์ที่เข้ามาเป็นเชื้อเพลิง นี่คือการเปรียบเทียบกับไฟล์ 1% พลังงานที่เก็บไว้ในใบไม้จริงเป็นชีวมวล ข้อเสียคือต้นทุนที่มากเกินกว่าที่จะแข่งขันได้ นอกจากนี้ยังมีการกล่าวว่าประสิทธิภาพลดลงหลังจากแสงแดดของ 20 ชั่วโมง.

ลูอิสชี้ให้เห็นว่าการที่ใบไม้ประดิษฐ์จะประสบความสำเร็จนั้นจำเป็นต้องมีสามสิ่ง “คุณต้องการให้มีประสิทธิภาพราคาถูกและแข็งแกร่ง ฉันสามารถให้คุณสองคนในวันนี้ แต่ไม่ใช่สามในเวลาเดียวกัน.”

เป้าหมายของ JCAP คือการเอาชนะปัญหานี้และสร้างระบบที่ถูกกว่าการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าโดยใช้แผงโซลาร์เซลล์มาก คำตอบของพวกเขาคืออิเล็กโทรดสองขั้วซึ่งจุ่มอยู่ในสารละลายที่เป็นน้ำ อิเล็กโทรดเหล่านี้แต่ละตัวมีวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ได้รับเลือกให้จับแสงจากส่วนหนึ่งของสเปกตรัมแสงอาทิตย์พร้อมกับเคลือบด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อช่วยในการสร้างออกซิเจนหรือไฮโดรเจนด้วยความเร็วที่เป็นประโยชน์ เช่นเดียวกับอุปกรณ์สังเคราะห์แสงใด ๆ ระบบที่ JCAP สร้างขึ้นจะถูกแบ่งโดยเมมเบรนเพื่อให้แน่ใจว่าก๊าซที่เกิดขึ้นจะแยกออกจากกันและไม่เสี่ยงต่อการก่อให้เกิดปฏิกิริยาระเบิด

ลูอิสอธิบายว่าการสร้างส่วนประกอบใด ๆ ของงานใบไม้ประดิษฐ์เป็นความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ เขาพูดว่า "นี่ก็เหมือนกับการสร้างเครื่องบินคุณไม่จำเป็นต้องมีแค่เครื่องยนต์ แต่คุณต้องมีการออกแบบที่มีปีกและลำตัวและเครื่องยนต์และระบบการบิน - และในที่สุดเครื่องบินก็ต้องบินได้.”

ความสามารถในการค้นหาวัสดุที่ถูกต้องเป็นหนึ่งในสิ่งที่ยากที่สุดที่พวกเขาต้องทำ ห้องปฏิบัติการทดลองปริมาณงานสูงของ JCAP ได้รับมอบหมายให้ทำหน้าที่เกี่ยวกับปัญหาเกี่ยวกับวัสดุ พวกเขาได้ปรับเปลี่ยนเครื่องพิมพ์อิงค์เจ็ทเพื่อส่งโลหะผสมลงบนแผ่นกระจกซึ่งจากนั้นพวกเขาจะทดสอบเป็นตัวดูดซับภาพถ่ายและตัวเร่งปฏิกิริยา เครื่องพิมพ์ที่ได้รับการแก้ไขสามารถผลิตได้มากถึง หนึ่งล้าน จุดต่อวัน

ลูอิสกล่าวว่า“แหล่งพลังงานที่ใหญ่ที่สุดที่เรามีคือดวงอาทิตย์วิธีที่ดีที่สุดในการกักเก็บพลังงานนอกเหนือจากนิวเคลียสของอะตอมคือเชื้อเพลิงเคมี หลีกเลี่ยงไม่ได้ที่จะมีใครบางคนเข้าไปเก็บแหล่งที่ใหญ่ที่สุดและจัดเก็บไว้อย่างหนาแน่น.”