Außerhalb des California Institute of TechnologyPflanzen und Blumen strecken ihre Blätter aus und schicken ihre Wurzeln tiefer in den Boden. Sie verwenden Energie, um Zucker zu speichern und für sie ist die Photosynthese einfach. Währenddessen arbeiten im Caltech Jorgensen-Labor über 80 Forscher an einem großartigenviel Aufwand in ein künstliches Blatt stecken und tun, was die Blätter von Pflanzen so leicht tun: Sie tun dies mit Nickel, Eisen, Silizium und vielen anderen Materialien, die man normalerweise mit Handys assoziiert als mit Pflanzenzellen.
[Bildquelle: Viktor Koen]
Die Labore beherbergen das Gemeinsame Zentrum für Künstliche Photosynthese. Dies ist ein Forschungsprogramm mit Beteiligung von mehr als 190 Personen, das mit Mitteln in Höhe von gefördert wird116 Millionen US-Dollar über einen Zeitraum von fünf Jahre aus dem US-Energieministerium. Das Ziel des Zentrums und der Forscher ist es, das Sonnenlicht zu nutzen und Wasserstoff zusammen mit anderen Kraftstoffen viel effizienter zu machen, als Blätter in der Natur Biomasse machen.
Die Forscher verfolgen dieses Ziel mit einem Gefühl der Dringlichkeit. Rund 13 % der Emissionen Rund um den Globus kommen Treibhausgase durch den Transport. Eines der Hauptziele ist daher der schrittweise Verzicht auf umweltschädliche Kraftstoffe. Eine Möglichkeit dazu wäre, leichte Lastwagen und Autos durch Fahrzeuge zu ersetzen, die mit Strom betrieben werden, der ausWind- oder Solarzellen. Dies würde jedoch nicht ausreichen, um das ganze Problem zu lösen. Der wissenschaftliche Direktor und anorganische Chemiker des JCAPs an der Caltech University, Nathan Lewis, sagte das ungefähr 40%der Transport der Welt könnte nicht mit Strom betrieben werden. Dies liegt vor allem daran, dass einige Fahrzeuge wie Flugzeuge nicht angeschlossen werden könnten, da sie nicht die Menge an Batterien aufnehmen könnten, die benötigt werden.
Aus diesem Grund verwenden Finanzierungsagenturen auf der ganzen Welt viele Ressourcen, um Kraftstoff aus der Kraft der Sonne herzustellen. Diese Art von Energie wird nicht ausgehen und sie ist kohlenstofffrei, was Boni sind. JCAP hathaben sich verpflichtet, vor Ablauf des Stipendiums im Jahr 2015 einen Prototyp zu liefern, der aus einem künstlichen Blatt besteht.
Michael Wasielewski, Chemiker an der Northwestern University in Evanston, Illinois, sagte: “Wenn Sie diese Art von Bemühungen die nächsten zehn Jahre durchhalten könnten, wäre es denkbar, dass Sie eine praktische Lösung haben.”
Künstliche Photosynthese ist nichts Neues, sondern geht zurück auf 1912Die Forscher haben jedoch erst Anfang des Jahres angefangen, die Dinge voranzutreiben1972. Es waren Forscher in Japan, die umrissen, was benötigt wird, damit ein Gerät Sonnenlicht aufnehmen und dieses Sonnenlicht dann nutzen kann, um Wasser zusammen mit Wasserstoffbrennstoff in Sauerstoff aufzuspalten.
Es war in1998 als ein komplettes System einen großen Durchbruch und Fortschritt zeigte. Dies war, als es in der Lage war zu speichern12 % der zugeführten Sonnenenergie als Brennstoff. Dies war im Vergleich zum 1% Energie, die in echten Blättern als Biomasse gespeichert ist. Der Nachteil waren die Kosten, die viel zu hoch waren, um konkurrenzfähig zu sein. Außerdem wurde gesagt, dass die Leistung nach Sonnenschein von zurückging.20 Stunden.
Lewis wies darauf hin, dass für den Erfolg eines künstlichen Blattes drei Dinge erforderlich sind. “Sie wollen, dass es effizient, günstig und robust ist. Ich kann Ihnen heute zwei beliebige geben, aber nicht gleichzeitig die dritte.”
Das Ziel von JCAP war es, dieses Problem zu überwinden und gleichzeitig ein System zu schaffen, das viel billiger ist als das Aufspalten von Wasser mit Strom mithilfe von Sonnenkollektoren. Ihre Antwort waren zwei Elektroden, die sie in eine wässrige Lösung tauchten. Jede davonElektroden haben ein Halbleitermaterial, das ausgewählt wurde, um Licht aus einem Teil des Sonnenspektrums einzufangen, und ist mit einem Katalysator beschichtet, um die Erzeugung von Sauerstoff oder Wasserstoff mit nützlichen Geschwindigkeiten zu unterstützen.Das von JCAP entwickelte System wurde durch eine Membran geteilt, um sicherzustellen, dass die entstehenden Gase getrennt bleiben und keine Gefahr einer explosiven Reaktion besteht.
Lewis erklärte, dass es eine große Herausforderung war, eine der Komponenten des künstlichen Blattes herzustellen. Er sagte “Das ist genau so, als würde man ein Flugzeug bauen. Man muss nicht nur einen Motor haben, man muss ein Design mit Flügeln und dem Rumpf und dem Triebwerk und der Avionik haben – und das Flugzeug muss am Ende fliegen.”
Die richtigen Materialien zu finden war eines der schwierigsten Dinge, die sie tun mussten. Das High Throughput Experimentation Lab des JCAP hat die Aufgabe, Materialprobleme zu lösen. Sie haben Tintenstrahldrucker modifiziert, um Legierungen auf Glasplatten zu senden, die sie dann als Photoabsorber und Katalysator testen. Die modifizierten Drucker können bis zu eine Million Flecken pro Tag.
Lewis sagte das “Die mit Abstand größte Energiequelle ist die Sonne.Der beste Weg, Energie außer im Kern eines Atoms zu speichern, ist in chemischen Brennstoffen. Es ist unvermeidlich, dass jemand die größte Quelle nimmt und sie am dichtesten speichert.”