Pflanzen nutzen die Photosynthese, um Nahrung aus der Sonnenenergie zu gewinnen. Dr. Lewis ahmt diesen Prozess nach, um mit Wasser und Sonnenlicht einen sauber brennenden Kraftstoff zu erzeugen.
Pflanzenzellen. Bildnachweis: Kristian Peters
Pflanzen haben herausgefunden, dass der beste Weg, um saubere Energie zu erzeugen und zu nutzen, darin besteht, die größte Ressource, die wir haben - die Sonne - zu nutzen und sie in das umzuwandeln, was heute fast die gesamte Energie und den gesamten Verbrauch auf unserem Planeten antreibt, nämlich chemischen Brennstoff. Pflanzen tun dies jedoch nicht sehr effizient und stellen einen Brennstoff her, den wir zumindest nicht direkt verwenden können, es sei denn, Sie möchten das köstliche Gemüse essen, das daraus hervorgeht. Das meiste, was Pflanzen herstellen, kann jedoch nicht direkt vom Menschen als Brennstoff verwendet werden.
So wie Vögel Federn haben und wir wissen, dass es möglich ist zu fliegen, aber wir bauen keine Flugzeuge aus Federn, wir wissen, dass es möglich ist, das Sonnenlicht aufzunehmen und chemischen Treibstoff herzustellen. Wir werden unsere Maschinen bauen, die Sonnenlicht aufnehmen und direkt Kraftstoff produzieren, den jeder überall und jederzeit für seine Energie verwenden kann.
Lassen Sie uns über ein bestimmtes Produkt aus Ihrem Labor sprechen - eine photoelektrochemische Zelle, die in der künstlichen Photosynthese eingesetzt wird, um Wasserstoffbrennstoff herzustellen - auf einfachste Weise. Wie wird es funktionieren?
Wir wissen, dass es mit Halbleitermaterialien möglich ist, wie sie in Solarmodulen verwendet werden, aber mit einer anderen Gruppe von Materialien wie Platin und Silizium, diese Materialien tatsächlich zu verwenden. Anstatt sie mit elektrischen Drähten zu bedecken, tauchen wir das Material in Wasser. Wenn man das Sonnenlicht hinzufügt, kann man das Wasser aufteilen und Wasserstoff- und Sauerstoffgas direkt produzieren. Sie würden den Wasserstoff sammeln und ihn später in einer Brennstoffzelle verwenden. Oder Sie können es in flüssigen Kraftstoff umwandeln oder für andere Zwecke verwenden. Sie würden dann den Sauerstoff an dem Punkt der Verbrennung des Wasserstoffs oder des anderen Brennstoffs, den Sie hergestellt haben, aus der Luft zurückerhalten. Wir wissen, dass dies bereits funktioniert.
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Sie haben darüber gesprochen, Wasser zu spalten. Was genau meinst du damit?
Wasser hat die chemische Formel von H2O. Um es zu spalten, jonglieren Sie die Bindungen im Wasser erneut, um ein Molekül H2 und die Hälfte des O2 zu bilden, das die Sauerstoffmoleküle in unserer Luft bildet.
Der Brennstoff, der daraus entsteht, ist der Wasserstoff - der H2 - denn dieser kann gespeichert und dann verbrannt werden. So wie Benzin mit Luftsauerstoff verbrannt wird, wird der Wasserstoff mit Luftsauerstoff verbrannt. In diesem Fall würde anstelle von Kohlendioxid Wasser erzeugt. Es brennt also sauber, denn das einzige Nebenprodukt ist tatsächlich trinkbares Wasser aus dem Verbrennungsprozess.
Wie sieht diese photoelektrochemische Zelle aus? Was bringt es dazu, diese Arbeit zu erledigen?
Es wird nur ein flexibles Material sein, wie das Slip 'n Slide oder die Luftpolsterfolie, ein multifunktionales Gewebe, das Sie ausrollen werden, und es wird eine obere klare Schicht geben, die Wasser wie ein Schwamm von der Oberfläche aufsaugt Luft. Dann absorbiert die Zwischenschicht Sonnenlicht und zersetzt die Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff. Wir lassen den Sauerstoff wie durch eine Regenjacke entweichen, wenn Sie ihn atmen lassen. Am Boden saugten wir entweder den gasförmigen oder den flüssigen Brennstoff heraus, sammelten ihn in einem Tank und dann konnten wir damit unsere Autos fahren, Brennstoffzellen betreiben, flüssige Brennstoffe herstellen und die Energie liefern, die wir haben brauchen auch wenn die sonne nicht scheint.
Was ist der Zeitplan dafür? Wann können wir damit rechnen, dass dies auf dem Markt allgemein oder in der Industrie eingesetzt wird?
Unser Ziel ist es, Prototypen zu bauen, die in den ersten zwei Jahren dieses Projekts tatsächlich funktionieren, das so genannte Joint Center for Artificial Photosynthesis, ein vom Department of Energy gefördertes Zentrum für Energieinnovationen.
Und so starten wir ein sehr aggressives Projekt, denn niemand hat tatsächlich einen Solarkraftstoffgenerator gebaut, den Sie in der Hand halten können, der wirklich ein künstliches Photosynthesesystem ist. Wir wissen, dass die ersten Prototypen, die wir bauen, nicht sehr gut funktionieren, möglicherweise nicht sehr lange halten oder möglicherweise zu teure Teile verwenden. Und dann werden wir eine zweite bauen, und es wird ein bisschen besser funktionieren. Und dann werden wir die dritte bauen und es wird noch besser funktionieren. Wir werden aus unseren Fehlern lernen, bis wir einen fünften bauen, der wirklich derjenige ist, über den wir versuchen, in das Handelsunternehmen einzusteigen.
Wir glauben, dass dies eine sich entwickelnde Generation von Technologieentwicklungen ist. Aber Sie können nicht fliegen, bis Sie vom Boden abheben. Unser Ziel ist es, vom Boden abzuheben und das Ding zu bauen, das zeigt, dass wir eine Technologie schaffen können, die wirklich direkt das kann, was Pflanzen tun, aber besser, Brennstoff machen direkt von der Sonne.
Was sind einige der großen Hindernisse, mit denen Sie derzeit konfrontiert sind oder denen Sie in der Vergangenheit in Bezug auf die künstliche Photosynthese konfrontiert waren?
Es ist chemisch schwierig, die Photonen des Lichts und die Elektronen, die wohl oder übel in einem Material erzeugt werden, zu nehmen und sie dann zu koppeln, um die chemischen Bindungen herzustellen und zu lösen, die für eine echte Photosynthese erforderlich sind. Wir müssen die Katalysatoren entwickeln, die das können, und die Materialien, die das Licht absorbieren, um diese Elektronen an diese Katalysatoren abzugeben, damit alle Teile des Systems gleichzeitig in Harmonie zusammenarbeiten.
Was ist ein Beispiel für einen solchen Katalysator?
Ein Katalysator, der derzeit Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet, wäre ein teures Metall wie Platin, das mit einem anderen teuren Metall wie Ruthenium in Form von Rutheniumdioxid gekoppelt ist. Wir wissen, dass sie sehr gut funktionieren. Sie sind einfach viel zu teuer, um sehr große Flächen abzudecken, die zur Nutzung des Sonnenlichts erforderlich sind. Wir wissen, dass die Natur weiß, wie man das macht. Es wird kein Metall verwendet. In Enzymen, aus denen Käfer Wasserstoff herstellen, wird Eisen verwendet, ein billiges Metall, das aus Rost entsteht. Sie verwenden Nickel, das gleiche Material, mit dem wir unsere Münznickel hergestellt haben. Sie verwenden also wirklich billiges Material, und wir müssen als Chemiker herausfinden, wie die billigen Metalle genauso gut funktionieren wie die teuren, um wirklich eine erschwingliche Technologie zu haben.
Was ist das Wichtigste, was die Leute heute wissen sollen?
Das Wichtigste ist zu wissen, dass wir, wenn wir zu einem sauberen Energiesystem gelangen möchten, mit vorhandener Technologie, mit Wind, mit Sonne, mit Atomkraft einen Teil des Weges dorthin schaffen können. Aber Sie können nicht den ganzen Weg dorthin kommen, indem Sie nur das billiger machen, was wir wissen. Die beiden größten Herausforderungen bestehen darin, wie Sie enorme Mengen an Elektrizität speichern und wie Sie sauberen Kraftstoff für die 40 Prozent des Transports produzieren, die nicht elektrifiziert werden können - unsere Schiffe, unsere Flugzeuge, unsere Schwerlast-LKWs? Und abgesehen von einer begrenzten Menge von Biokraftstoffen besteht das einzige technische Spiel in der Stadt, das beide Probleme lösen kann, die wir als Planet lösen müssen, um eine nachhaltige, umweltverträgliche und sichere Zukunft zu schaffen, darin, Kraftstoff aus der Sonne zu gewinnen. Und deshalb arbeiten wir so hart an diesem Projekt.
Hören Sie sich die 8-minütigen und 90-sekündigen EarthSky-Interviews mit Nate Lewis über künstliche Photosynthese oben auf der Seite an.