Sztuczny liść. Przełom w energetyce?

Chemicy z MIT ogłosili tej wiosny przełom w technologiach gromadzenia energii słonecznej. Sztuczny liść z laboratorium prof. Daniela Nocery ma zmienić naszą energetykę i być na tyle tani, by zrewolucjonizować dostęp do energii elektrycznej w najuboższych regionach świata.

Laboratorium prof. Nocery w Massachusetts Institute of Technology w Cambridge (USA) bada mechanizmy przetwarzania i magazynowania energii wypracowane przez miliardy lat ewolucji. Naukowcy starają się na tej podstawie opracować takie materiały, które pozwolą otrzymywać tanią i czystą energię. Jak podkreślają, specjaliści z różnych dziedzin współpracują w laboratorium poszukując rozwiązań dla kluczowych wyzwań naukowych 21. wieku, z którego najważniejszym jest poszukiwanie takich źródeł energii odnawialnej, które nie będą się równocześnie wiązać z emisją gazów cieplarnianych.

Badania samej fotosyntezy dzięki której rośliny pobierają energię słoneczną do produkcji paliwa i tlenu z dwutlenku węgla, trwają. Ten kluczowy dla ziemskiego życia proces wciąż ma tajemnice. Nauka wciąż nie zna chociażby struktury kompleksu, który przechwytuje fotony i rozbija cząstki wody. Dość dobrze jednak wiadomo, co się w liściach dzieje, więc nauka stara się osiągnąć podobny efekt "po swojemu".

A może jednak stary, dobry atom? Przeczytaj  artykuł dra Tomasza Rożka o reaktorach przyszłości

Rozwiązania, które wydajnie naśladuje fotosyntezę i da się tanio zastosować naukowy poszukiwali od dziesięcioleci.

- Udało nam się. Nasz sztuczny liść jest szczególnie obiecujący, bo może służyć za źródło taniej elektryczności w domach najuboższych mieszkańców krajów rozwijających się - ogłosił prof. Nocera na wiosennym zjeździe Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego. - Już niedługo wioski w Afryce i Indiach będą mogły pozwolić sobie na systemy zasilania oparte na tej technologii.

Odpowiedni katalizator

Prototyp prof. Nocery ma rozmiary karty do gry i jest bardzo cieniutkim połączeniem elektroniki i katalizatorów, czyli substancji służących do wywoływania i przyspieszania reakcji chemicznych.

Umieszczone w naczyniu z wodą w jasnym świetle może zasilać nieduży dom. Woda nie musi spełniać wyśrubowanych standardów czystości - naukowcy używali wody z rzeki płynącej nieopodal laboratorium.

Jak to działa? Katalizator wywołuje rozbicie cząsteczek wody na tlen i wodór, które można następnie gromadzić w ogniwie paliwowym na dachu lub za domem. Tam spalanie wodoru pozwala produkować elektryczność, a jedynym produktem ubocznym jest woda. Tym razem - czyściutka woda pitna.

Sztuczny liść nie produkuje cukru, ani nie pobiera dwutlenku węgla. Przeprowadza tylko pierwszą fazę fotosyntezy, w której energia światła słonecznego użyta jest do rozłożenia cząstek wody. Ale jest to faza zasadnicza, dzięki której życie na Ziemi od miliardów lat kumuluje energię słoneczną (również w postaci ropy naftowej i gazu ziemnego).

Niedrogi katalizator

Jak przyznaje prof. Nocera, podobny pomysł zrealizowano już kilkanaście lat temu w amerykańskim Laboratorium Energii Odnawialnej w Golden, Colorado. Tamten wynalazek był wydajny, ale niepraktyczny. Zużywał się po jednym dniu działania i zawierał rzadkie i drogie metale, co uniemożliwiało produkcję na większą skalę.

Sukces Laboratorium Nocery polega na opracowaniu kilku nowych, niedrogich katalizatorów z powszechnie dostępnych pierwiastków, jakimi są nikiel i kobalt. W efekcie, sztuczny liść jest dziesięć razy wydajniejszy od swoich zielonych imienników.

Rośliny zaledwie kilka procent docierającej do nich energii magazynują w wiązaniach chemicznych paliwa, jakimi są cukry. Reszta jest odbijana albo rozpraszana. Fotosynteza nie może być wydajniejsza, gdy przebiega w żywym organizmie, wrażliwym na zmiany temperatury, toksyczne działanie związków chemicznych powstających w trakcie złożonych reakcji.

Tymczasem prof. Nocera spodziewa się, że wydajność jego urządzenia uda się jeszcze znacznie zwiększyć.

- Przyroda jest napędzana przez fotosyntezę i sądzę, że cywilizacja przyszłości również będzie przez nią napędzana - między innymi z użyciem naszego sztucznego liścia - mówi magazynowi Next prof. Nocera.

Tlen i wodór produkuje się dziś z wody z zastosowaniem energii elektrycznej - w drodze znanej wszystkim ze szkoły elektrolizy. Żeby reakcja przebiegała sprawnie, stosowane są katalizatory platynowe, drogie i wytwarzane z użyciem toksycznych związków. Prace nad sztucznym liściem pozwoliły na postęp i w tej dziedzinie.

Katalizator, który się regeneruje

Niektóre z nowych katalizatorów Nocery są już w fazie wdrożenia do przemysłowej produkcji. Laboratorium sprzedało licencje i liczy na to, że za rok-dwa super-wydajne urządzenia do elektrolizy wyprą z rynku dotychczasowe rozwiązania.

Powodem entuzjazmu badaczy jest również to, że nowe katalizatory - te do super-wydajnej elektrolizy oraz te w sztucznym liściu - nie zużywają się szybko, tylko regenerują.

- Prostota tego procesu jest zadziwiająca - podkreśla Louis Echegoyen z amerykańskiej National Science Foundation. - Ze zwykłych, łatwo dostępnych elementów i szklanki wody ci chemicy wyprodukowali nam najprawdopodobniej źródło energii przyszłości.

Sztuczny liść to nie wszystko

Jego kolega z MIT, prof. Jeffrey Grossman ogłosił jesienią odkrycie mechanizmu, który pozwala magazynować również ciepło przysyłane na Ziemię ze Słońca. Taka bateria termiczna może być naładowana na długo i uwalniać energię w wybranym momencie.

Wszystko dzięki specjalnej substancji, która wystawiona na światło słoneczne zmienia swoją strukturę.

- Można wystawić baterię z takim paliwem na słońce, nagrzać, używać i nagrzać ponownie - mówi Grossman. - A to się nagrzewa do 200 st. C, dość by ogrzać dom, albo nawet napędzać generator do produkcji prądu elektycznego.

Również w tym przypadku problemem, przed którym wciąż stoi odkrywca, jest rzadki i kosztowny składnik badanego materiału, ale prof. Grossman szuka pomocy w Laboratorium Nocery.

- Mocno wierzę, że skoro już rozumiemy, jak ta substancja działa, znajdziemy inne, które zadziałają tak samo - zapowiada naukowiec. Jak podkreśla potrzeba równoczesnego zastosowania komputerowych metod projektowania nowych związków, eksperymentalnej syntezy i precyzyjnej oceny rezultatów. I to doprowadzi do odkrycia kolejnych - miejmy nadzieję - opłacalnych w produkcji słonecznych paliw termicznych.

Zamiast płacić "za światło" - zarabiaj

- Naszym celem jest elektrownia w każdym domu - zapowiada prof. Nocera. - Pracujemy nad stworzeniem spersonalizowanych modułów produkujących energię, które mogą być tanio produkowane, dystrybuowane i instalowane. Wciąż oczywiście mamy przed sobą poważne problemy do rozwiązania - same ogniwa paliwowe i panele słoneczne muszą być udoskonalone - ale można już sobie wyobrazić wioski w Indiach i Afryce, które kupią sobie takie podstawowe systemy produkujące energię.

A kraje rozwijające to przecież nie jedyny odbiorca tych technologii. To Zachód konsumuje jej znacznie więcej i będzie jej nadal potrzebował.

Światowa produkcja energii podwoi się do połowy tego stulecia, a do roku 2100 - potroi. Rosnące zapotrzebowanie na nią w krajach rozwijających się nie powinno być zaspokajane w tradycyjny sposób - z dużych elektrowni z kosztownymi, zawodnymi i nieefektywnymi sieciami przesyłowymi.

A Nocera chciałby wyposażyć w małe autonomiczne systemy zasilania również bezkresne amerykańskie przedmieścia.

 

Elektrownia w każdym domu?

Energia słoneczna wytwarzana w ciągu dnia i przechowywana w postaci paliwa może być łatwo zamieniana na prąd również w nocy. Do systemu mikroelektrowni dołączą samochody wodorowe i elektryczne. Od lat projektowane są już takie systemy rozproszonych elektrowni, wymieniających się energią w miarę potrzeby.

Rozwiąż nasz quiz: Węglowy ślad cyfrowego życia - ile dwutlenku węgla wysyłasz do atmosfery razem z e-mailem?

Z symulacji wynika, że użytkownik paneli słonecznych i samochodu elektrycznego może nawet zarabiać na oddawaniu energii do sieci, zamiast płacić za prąd. Zwłaszcza, gdy komputery zarządzające takim gridem będą minimalizować straty. Dziś mnóstwo prądu marnuje się chociażby w trakcie przesyłania go na większe odległości.

- Energia idzie w parze z dobrobytem - podkreśla profesor Nocera. I nie wiem, czy chodzi mu wyłącznie o Indie i Afrykę. Kres energetycznemu marnotrawstwu i oszczędności na coraz intensywniej konsumowanej energii należą się nam wszystkim.


Podystkutuj o nowych rozwiązaniach w energetyce: facebook.com/madrzejszy.swiat

 

Łukasz Partyka - redaktor magazynu Next.gazeta.pl - jest  dziennikarzem naukowym i gospodarczym. Publikował m.in. w "Gazecie Wyborczej", Gazecie.pl, "Wiedzy i Życiu". Pisze doktorat z ekonomii w Szkole Głównej Handlowej w Warszawie.

Więcej o: