211service.com
De energiebehoeften van de wereld voorzien van licht en water
Terwijl onderzoekers en technologen over de hele wereld op zoek zijn naar schonere energiebronnen, wenden sommige chemici zich tot de elegante oplossing van de natuur: fotosynthese. Bij fotosynthese gebruiken groene planten de energie in zonlicht om water en koolstofdioxide af te breken. Door elektronen en waterstof-, zuurstof- en koolstofatomen te manipuleren in een reeks complexe chemische reacties, produceert het proces uiteindelijk de cellulose en lignine die de structuur van de plant vormen, evenals opgeslagen energie in de vorm van suiker. Begrijpen hoe dit proces werkt, denkt Daniel Nocera , hoogleraar scheikunde aan het MIT, zou kunnen leiden tot manieren om zonne-energie te produceren en op te slaan in vormen die praktisch zijn voor het aandrijven van auto's en het leveren van elektriciteit, zelfs als de zon niet schijnt.
Energie vrijmaken: Daniel Nocera, hoogleraar scheikunde aan het MIT, zegt dat fundamenteel onderzoek naar de chemische processen van fotosynthese zou kunnen leiden tot een samenleving die wordt aangedreven door water en zonlicht.
Volgens Nocera, een erkend fotosynthese-expert, zijn doorbraken nodig in ons begrip van de fundamentele chemische processen die fotosynthese mogelijk maken. Hij bestudeert de principes achter fotosynthese en past wat hij leert toe op het maken van katalysatoren die zonne-energie gebruiken om waterstofgas te maken voor brandstofcellen. Het doel van Nocera: een wereld aangedreven door licht en water.
Technologie beoordeling : Wat is op dit moment de grootste uitdaging op het gebied van energie?
Daniel Nocera : De echte uitdaging met energie is het schaalprobleem. We zullen deze enorme energiebehoefte hebben, en als je naar alle cijfers gaat kijken, is er maar één voorraad die schaal heeft, en dat is de zon. Maar het is nog steeds een onderzoeksprobleem. Technologieën volgen allemaal lijnen; dan is er een ontdekking en een nieuwe regel die beter is. We zitten nu op een zeer voorspelbare lijn in zonne-energie. De meeste dingen die je hoort, zijn incrementele vorderingen.
KINDEREN : Je studeert fotosynthese om ideeën op te doen voor het omzetten van zonlicht in een chemische brandstof – waterstof – voor gebruik als de zon niet schijnt of voor het aandrijven van brandstofcelvoertuigen.
DN : U kunt de elektriciteit direct gebruiken als de zon schijnt, op plaatsen met zon. [Maar] je hebt opslagruimte nodig. Er is absoluut geen manier omheen. Ik destilleer de essentie van fotosynthese naar beneden om het te kunnen gebruiken.
KINDEREN : Waarom is fotosynthese aantrekkelijk bij het vinden van een bron van schone energie?
DN : [Fotosynthese] doet drie dingen. Het vangt zonlicht op en [ten tweede] zet het het om in een draadloze stroom – bladeren zoemen van de elektriciteit. En ten derde, het doet opslag. Het slaat de omgezette lichtenergie op in chemische energie. En het gebruikt die chemische energie voor zijn levensproces, en dan slaat het een beetje op.
Het blijkt [dat] fotosynthese een van de meest efficiënte machines ter wereld is voor energieconversie. Maar het is niet geweldig om energie op te slaan, want daar is [een fabriek] niet voor gebouwd. Het werd gebouwd om te leven, te groeien en zich voort te planten.
En dat is dus de benadering die we volgen. Kunnen we nu doen wat het blad kunstmatig doet, namelijk het vangen, omzetten en opslaan in chemische bindingen? Maar mijn apparaat hoeft niet te leven: het kan veel meer van die energie opnemen en het in chemische bindingen plaatsen.
KINDEREN : En je hebt enig succes gehad met het toepassen van wat je hebt geleerd om te gebruiken.
DN : We hebben wel een verbinding gemaakt die waterstof maakt met licht. We hebben iets dat je kunt oplossen in een oplossing, er licht op kunt laten schijnen, en waterstof komt naar boven borrelen. Het deed het niet zo efficiënt. Maar het was een grote vooruitgang omdat er veel nieuwe concepten in zaten om te laten zien hoe je zonlicht kunt gebruiken om waterstof te maken.
KINDEREN : Wat zijn enkele van de onderzoeksproblemen die u aanpakt en waarvan u hoopt dat ze kunnen leiden tot een grote stap voorwaarts op het gebied van zonne-energie?
DN : Iets waar we echt hard aan hebben gewerkt, is [het begrijpen] van de ontwerpprincipes waarop fotosynthese werkt.
Een daarvan is dat wanneer [fotosynthese] water splitst in waterstof en zuurstof, het meer dan één elektron gebruikt. Deze stroom die loopt, gaat één elektron tegelijk. Maar dan slaat [de plant] ze op en gebruikt ze vier elektronen tegelijk. We weten niet goed hoe we multi-elektronreacties moeten uitvoeren. We hebben niet eens theorieën om ze te beschrijven.
En dan moet je protonen beheren - en dat is wat biologie echt goed doet. Het neemt elektrische stroom en zet het dan om in een chemische stroom, en het ding dat de chemische stroom geleidt, zijn protonen. En dan stuurt het atomen. Wat een fotovoltaïsch apparaat doet, is elektronen naar een punt sturen. Fotosynthese stuurt eigenlijk geen elektron maar een atoom. En dat is nog moeilijker omdat atomen zoveel zwaarder zijn dan elektronen. Dus we zijn diep in het begrijpen geraakt, hoe verplaats je atomen [zoals waterstofatomen] van punt A naar B, zodat ze zich met elkaar kunnen verbinden? Hoe monteer je ze zodat ze zich kunnen verenigen?
KINDEREN : U hebt geschreven dat scheikunde waarschijnlijk de meest centrale rol zal spelen van alle wetenschappen bij het aanpakken van energieproblemen. Hoe zou je de rol van chemie samenvatten?
DN : Voor game changers is het heel eenvoudig. Er zijn er drie.
Maak fotovoltaïsche energie goedkoop, dat is een hoop scheikunde. Het vindt nieuwe materialen uit om PV goedkoop te maken.
Vervang edele metalen, zoals platina, door overvloedige metalen. Omdat er niet genoeg spullen zijn. Als je het over zoveel schaal hebt, kun je maar beter dingen als ijzer en mangaan gebruiken. Je kunt maar beter naar je boek kijken dat zegt wat de meest voorkomende elementen op aarde zijn.
KINDEREN : En dit is voor brandstofcellen, en ook voor fotovoltaïsche cellen.
DN : Fotovoltaïsche energie – alles. Dat is het echte technologieprobleem dat u in gedachten moet houden. Niet iets dat zo geweldig is, het is 100 procent efficiënt - en oh, tussen haakjes, ik gebruik ruthenium. Ik kan ruthenium nu gebruiken om me een principe te leren, maar ruthenium is onder ijzer [op het periodiek systeem]. Dus ik kan maar beter uitzoeken, hoe kan ik alles wat ik leer met ruthenium nemen en toepassen op ijzer?
KINDEREN : En de derde gamechanger?
DN : Gespleten water met licht. Als je die drie dingen doet, heb je een volledig nieuwe energie-economie. Het is moeilijk voor mij om precies te zeggen hoe die technologie eruit zal zien, omdat de wetenschap ontbreekt. Maar aan het begin van de twintigste eeuw hebben we een hele samenleving opgebouwd op basis van een nieuw energiesysteem. En ik geloof dat, zodra zonne-energie er is, met behulp van biobrandstof, met een beetje hulp van wind, we onze samenleving opnieuw zullen uitvinden vanuit een nieuwe energiebron.