اقتصاد دانش بنیان

شبیه‌‌سازی فرایندهای گیاهی برای تولید انرژی سبز

امکان توسعه فتوسنتزهای مصنوعی با کمک یک کاتالیزور جدید

ابداع یک کاتالیزور جدید از سوی تیم تحقیقاتی دانشگاه تورنتو دانشمندان را یک گام دیگر به فتوسنتز مصنوعی نزدیک ساخته است؛ فرایندی که طی آن مانند گیاهان از انرژی تجدیدپذیر برای تبدیل دی‌اکسید کربن به انرژی شیمیایی ذخیره‌شده استفاده می‌‌شود. با کنترل انتشار گاز کربن و نیز ذخیره انرژی از نیروی خورشیدی یا بادی، این ابداع از دو جنبه در مبارزه علیه تغییرات آب و هوایی نقش مهمی ایفا می‌‌کند.
فیل د لونا، یکی از پژوهش‌‌گران اصلی این پروژه، می‌‌گوید: «جذب کربن و انرژی تجدید‌‌پذیر دو فناوری امیدوار‌‌کننده هستند، اما مشکلاتی نیز وجود دارد. تکنولوژی جذب کربن گران است و انرژی خورشیدی و باد هم گاه‌‌وار و دوره‌‌ای هستند. می‌‌توانید از باتری‌‌ها برای ذخیره انرژی استفاده کنید، اما یک باتری نمی‌‌تواند سوخت مورد نیاز یک هواپیما را در گذار از سراسر اقیانوس اطلس تامین کند یا خانه‌‌ای را در تمام طول زمستان گرم کند؛ بنابراین شما نیاز به سوخت دارید.» د لونا و همکارانش زولی ژنگ و بو ژانگ کار خود را تحت نظارت پروفسور تد سارگت و با هدف حل هم‌‌زمان هر دو چالش موجود با الهام از طبیعت انجام دادند. آن‌ها سیستمی مصنوعی را طراحی می‌‌کنند که قادر است فرایندی را که طی آن گیاهان و سایر موجودات فتوسنتز‌‌کننده از نور خورشید برای تبدیل 2CO و آب به مولکول‌‌ها استفاده می‌‌کنند، شبیه‌‌سازی کند. این فناوری می‌‌تواند بعدها از سوی انسان‌‌ها برای تولید سوخت به کار گرفته شود.در گیاهان سیستمی متشکل از دو واکنش شیمیایی مرتبط با هم وجود دارد: یکی H2O را می‌شکند و به پروتون‌‌ها و گاز اکسیژن تبدیل می‌‌کند و دیگری CO2 را به مونوکسید کربن (CO) تبدیل می‌‌کند (سپس CO می‌‌تواند طی فرایند صنعتی که سنتز فیشر - تروپش نامیده می‌شود، به سوخت‌‌های هیدروکربنی تبدیل شود.) ژانگ که در حال حاضر استاد دانشگاه فودان است، می‌‌گوید: «طی دو سال گذشته، تیم ما کاتالیزورهای بسیار کارآمدی برای هر دوی این واکنش‌‌ها توسعه داده است، اما در حالی که کاتالیزور دوم در شرایط خنثی کار می‌‌کند، کاتالیزور اول نیاز به سطح بالای pH دارد تا به فعال‌‌ترین حالت خود برسد.» این بدان معناست که وقتی این دو ترکیب می‌‌شوند، فرایند کلی به اندازه‌‌ای که باید کارآمد نیست، زیرا هنگام حرکت ذرات بار بین دو بخش سیستم، انرژی از بین می‌‌رود. این تیم اکنون با توسعه یک کاتالیزور جدید برای واکنش اول که آب را به پروتون‌‌ها و اکسیژن تقسیم می‌کند، راهی برای حل این مشکل یافته‌‌اند. برخلاف کاتالیزورهای قبلی، این نوع جدید در pH خنثی کار می‌کند و کارایی آن در این شرایط بهتر از هر کاتالیزور دیگری است که پیش‌‌تر امتحان شده است. ژنگ، دیگر همکار این پروژه که در حال حاضر محقق دوره پسادکترا در دانشگاه استنفورد است، می‌‌گوید: «این فرایند نیاز به ولتاژ پایینی دارد که به معنی نیاز به انرژی الکتریکی کمتر برای پیش‌برد واکنش است. علاوه بر این، داشتن کاتالیزوری که در همان pH خنثی می‌‌تواند مانند واکنش مونوکسید کربن عمل کند، ولتاژ کلی سلول را پایین می‌‌آورد.»
بازدهی این سیستم جدید 64 درصد گزارش شده است. به گفته د لونا این رقم بالاترین میزانی است که تاکنون برای سوخت‌‌های کربنی تجدید‌‌پذیر گزارش شده است.
این کاتالیزور جدید از نیکل، آهن، کبالت و فسفر ساخته شده است که همگی از عناصر کم‌‌هزینه‌‌ با نرخ خطرات ایمنی پایین هستند. بنابراین می‌‌توان این کاتالیزور را در دمای اتاق با استفاده از تجهیزات نسبتا ارزان‌قیمت سنتز کرد، هم‌چنین تیم سازنده اعلام کردند که این کاتالیزور در تمام مدتی که آن‌‌ها بر روی آن کار می‌‌کردند، یعنی حدود 100 ساعت، پایدار مانده است.
آزمایشگاه سارگت که اکنون به این کاتالیزور بهبود یافته مجهز شده است، در حال تلاش برای ساخت سیستم فتوسنتز مصنوعی خود در مقیاس آزمایشی است. هدف آن‌‌ها به دام انداختن کربن‌‌ دی‌‌اکسید خارج شده از دودکش‌‌ها و تبدیل آن به سوخت مایع با کمک این سیستم کاتالیزوری جدید است.
د لونا می‌‌گوید: «ما باید شرایط مناسب عملکرد را تعیین کنیم: سرعت جریان، غلظت الکترولیت، ولتاژ الکتریکی. از این مرحله به بعد را می‌‌توان کاملا مهندسی کرد.»
این تیم و اختراعشان در نیمه نهایی NRG COSIA Carbon XPRIZE حضور دارند؛ چالشی 20 میلیون دلاری برای توسعه فناوری‌‌های پیشرفته‌‌ای که قادرند کربن ‌‌دی‌‌اکسید انتشار یافته از سوی نیروگاه‌‌ها و تاسیسات صنعتی را به محصولات باارزش تبدیل کنند. این پروژه نتیجه یک همکاری بین‌‌المللی و بین‌رشته‌‌ای است. منبع نور کانادایی (CLS) در ساسکاچوان، پرتوهای ایکس پر‌‌انرژی را که برای بررسی خواص الکترونیکی کاتالیزور استفاده شده بود، فراهم کرد. بخش ریخته‌‌گری مولکولی آزمایشگاه ملی لارنس برکلی در ایالات متحده، کار مدل‌‌سازی نظری را انجام داد و در نهایت منابع مالی از سوی شورای تحقیقات علوم طبیعی و مهندسی، بنیاد نوآوری کانادا، دانشگاه تیانجین، دانشگاه فودان و منبع نور پکن تامین شد.

منبع: مجله دانش بنیان