Επιστήμονες από το University of Cambridge ανέπτυξαν μια συσκευή που μοιάζει να βγήκε κατευθείαν από το μέλλον: ένα «τεχνητό φύλλο» που αξιοποιεί το φως του Ήλιου για να μετατρέπει το διοξείδιο του άνθρακα σε καθαρή, αξιοποιήσιμη ενέργεια. Το επίτευγμα αυτό, δημοσιευμένο στο περιοδικό Joule, υπόσχεται να φέρει επανάσταση σε έναν από τους πιο ρυπογόνους και δύσκολα μετασχηματιζόμενους τομείς, τη χημική βιομηχανία.
Η συσκευή, που λειτουργεί αποκλειστικά με ηλιακή ενέργεια, μιμείται τη φυσική φωτοσύνθεση: χρησιμοποιεί οργανικούς ημιαγωγούς και ένζυμα από βακτήρια για να μετατρέψει το CO₂ και το νερό σε φορμικό οξύ, ένα καθαρό καύσιμο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη δημιουργία πολύτιμων χημικών ενώσεων. Σε αντίθεση με παλαιότερες τεχνολογίες, το «τεχνητό φύλλο» του Cambridge δεν περιέχει τοξικά υλικά, δεν χρειάζεται πρόσθετα χημικά για να λειτουργήσει και παρουσιάζει εντυπωσιακή σταθερότητα.
«Αν θέλουμε πραγματικά να χτίσουμε μια κυκλική και βιώσιμη οικονομία, πρέπει να αντιμετωπίσουμε τη χημική βιομηχανία», εξηγεί ο καθηγητής Erwin Reisner από το Yusuf Hamied Department of Chemistry του Cambridge, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας. «Είναι ένας τομέας τεράστιας σημασίας που βασίζεται σε ορυκτά καύσιμα, αλλά παράγει προϊόντα απαραίτητα για τη ζωή μας. Αν καταφέρουμε να τον “απο-φωσφορίσουμε”, θα έχουμε μια μοναδική ευκαιρία για αλλαγή».
Η χημική βιομηχανία ευθύνεται σήμερα για περίπου το 6% των παγκόσμιων εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα. Από φάρμακα και λιπάσματα μέχρι πλαστικά, ηλεκτρονικά και καθαριστικά προϊόντα, σχεδόν κάθε πτυχή της σύγχρονης ζωής εξαρτάται από αυτήν. Η έρευνα του Cambridge στοχεύει να αλλάξει αυτό το μοντέλο, προτείνοντας μια τεχνολογία που μπορεί να παράγει τα ίδια υλικά χωρίς να καίει ούτε ένα μόριο πετρελαίου ή φυσικού αερίου.
Η ιδέα του «τεχνητού φύλλου» δεν είναι καινούρια, καθώς η ομάδα του Reisner εργάζεται εδώ και χρόνια πάνω σε ηλιακές διατάξεις που μετατρέπουν το φως σε καύσιμα. Το πρόβλημα, μέχρι τώρα, ήταν τα υλικά: πολλοί προηγούμενοι σχεδιασμοί στηρίζονταν σε ανόργανους ημιαγωγούς με τοξικά στοιχεία όπως ο μόλυβδος ή σε συνθετικούς καταλύτες που αποδομούνταν γρήγορα. Αυτή τη φορά, οι ερευνητές επέλεξαν οργανικά στοιχεία, πιο φιλικά προς το περιβάλλον και πιο ευέλικτα στο σχεδιασμό.
«Αν καταφέρουμε να αφαιρέσουμε τα τοξικά μέρη και να χρησιμοποιήσουμε μόνο οργανικά συστατικά, μπορούμε να έχουμε μια καθαρή χημική αντίδραση με ένα μόνο προϊόν και χωρίς ανεπιθύμητες παρενέργειες», εξηγεί η Dr. Celine Yeung, συν-συγγραφέας της μελέτης. «Ο συνδυασμός οργανικών ημιαγωγών με βιοκαταλύτες μας δίνει το καλύτερο και από τους δύο κόσμους, σταθερότητα, αποδοτικότητα και μηδενική τοξικότητα».
Η καινοτομία βρίσκεται σε ένα στρώμα οργανικών ημιαγωγών που συνδυάζεται με ένζυμα που προέρχονται από βακτήρια τα οποία μειώνουν τα θειικά άλατα. Αυτά τα ένζυμα, όταν ενεργοποιούνται από το φως, διασπούν το νερό σε υδρογόνο και οξυγόνο ή μετατρέπουν το CO₂ σε φορμικό οξύ. Το αποτέλεσμα είναι μια διαδικασία χωρίς καύσιμα, χωρίς εκπομπές και με πλήρη ενεργειακή αυτονομία.
Μέχρι πρόσφατα, τέτοια βιοϋβριδικά συστήματα απαιτούσαν τη χρήση πρόσθετων χημικών (buffers) για να διατηρούν ενεργά τα ένζυμα, κάτι που περιόριζε την αντοχή και τη διάρκεια λειτουργίας τους. Οι ερευνητές του Cambridge έλυσαν αυτό το πρόβλημα ενσωματώνοντας ένα βοηθητικό ένζυμο, την ανθρακική ανυδράση, μέσα σε μια πορώδη δομή διοξειδίου του τιτανίου. Έτσι, το σύστημα μπορεί να λειτουργεί απλώς μέσα σε ένα διάλυμα όμοιο με ανθρακούχο νερό, χωρίς επιβλαβή πρόσθετα.
«Ήταν σαν να συναρμολογούμε ένα περίπλοκο παζλ», λέει ο Dr. Yongpeng Liu, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο εργαστήριο του Reisner. «Μας πήρε πολύ χρόνο να καταλάβουμε πώς να “δέσουμε” σωστά τα επιμέρους κομμάτια, αλλά τώρα βλέπουμε τα αποτελέσματα αυτής της δουλειάς».
Στα εργαστηριακά τεστ, το τεχνητό φύλλο κατάφερε να παράγει υψηλά ηλεκτρικά ρεύματα και να κατευθύνει σχεδόν όλη την ενέργεια στις αντιδράσεις παραγωγής καυσίμου με εξαιρετική απόδοση. Η συσκευή λειτούργησε για περισσότερες από 24 ώρες συνεχόμενα, πάνω από το διπλάσιο σε σχέση με προηγούμενες εκδόσεις, χωρίς να εμφανίσει φθορά.
Οι ερευνητές σκοπεύουν να επεκτείνουν τη λειτουργικότητα της συσκευής ώστε να μπορεί να παράγει και άλλες χημικές ουσίες, προσαρμοσμένες στις ανάγκες της βιομηχανίας. «Αποδείξαμε ότι είναι εφικτό να δημιουργήσουμε ηλιακές συσκευές που είναι αποδοτικές, ανθεκτικές και απαλλαγμένες από τοξικά ή μη βιώσιμα στοιχεία», λέει ο Reisner. «Αυτό μπορεί να αποτελέσει τη βάση για μια νέα γενιά πράσινων εργοστασίων, όπου η ενέργεια θα έρχεται από τον Ήλιο και η πρώτη ύλη από το διοξείδιο του άνθρακα».
[source]
