การสร้างเชื้อเพลิงจากอากาศบางๆ ด้วยใบไม้เทียม

ดวงอาทิตย์ผลิตพลังงานได้มากเกินพอสำหรับกิจกรรมต่างๆของมนุษย์ แต่เรายังไม่สามารถจับมันได้เพียงพอชี้ให้เห็นเออร์วินไรส์เนอร์ศาสตราจารย์ด้านพลังงานและความยั่งยืนของมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ เขาเป็นหัวหน้าทีมนักวิจัยที่พยายามจับพลังงานฟรีนั้นให้มากขึ้น

ในขณะที่แผงโซลาร์เซลล์มีความก้าวหน้าครั้งใหญ่ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาราคาถูกลงและมีประสิทธิภาพมากขึ้น แต่ก็ให้พลังงานไฟฟ้าไม่ใช่เชื้อเพลิงเหลวที่เก็บได้ซึ่งยังคงเป็นที่ต้องการอย่างมาก

“ถ้าคุณดูผลงานด้านพลังงานทั่วโลกและสิ่งที่จำเป็นไฟฟ้าอาจจะครอบคลุมเพียง 20-25% เท่านั้นคำถามคือเมื่อเราครอบคลุมถึง 25% แล้วเราจะทำอย่างไรต่อไป” ถาม Prof Reisner

คำตอบของเขาคือมองไปที่ธรรมชาติ: “พืชเป็นแรงบันดาลใจที่ยิ่งใหญ่เพราะพวกเขาได้เรียนรู้วิธีรับแสงแดดและกักเก็บพลังงานไว้ในตัวพาพลังงานมากว่าหลายล้านปี

“ฉันเชื่อจริงๆว่าการสังเคราะห์แสงเทียมจะเป็นส่วนหนึ่งของผลงานด้านพลังงานในอีกสองทศวรรษข้างหน้า”

เมื่อพืชสังเคราะห์แสงพวกมันจะดูดซับน้ำและก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และใช้แสงจากดวงอาทิตย์เพื่อเปลี่ยนวัตถุดิบเหล่านี้ให้เป็นคาร์โบไฮเดรตที่พวกเขาต้องการเพื่อการเจริญเติบโต

“ เราต้องการทำแบบนี้ซ้ำ แต่เราไม่ต้องการทำคาร์โบไฮเดรตเพราะมันเป็นเชื้อเพลิงที่มีหมัดดังนั้นแทนที่จะทำคาร์โบไฮเดรตเราจึงพยายามสร้างสิ่งที่สามารถนำไปใช้ได้ง่ายขึ้น

ปัญหาเพิ่มเติมคือพืชไม่ได้สังเคราะห์แสงได้ดีมากนักโดยแปลงพลังงานแสงอาทิตย์เพียงหนึ่งหรือสองเปอร์เซ็นต์ให้เป็นเชื้อเพลิง กระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกาได้สรุปว่าการสังเคราะห์ด้วยแสงเทียมจะทำงานได้ในเชิงเศรษฐกิจประสิทธิภาพจะต้องเพิ่มขึ้นระหว่าง 5 ถึง 10%

ทีมงานของ Prof Reisner ได้ทำงานหลายวิธีรวมถึงระบบที่เลียนแบบการสังเคราะห์ด้วยแสงตามธรรมชาติโดยใช้เอนไซม์ในการแยกน้ำและสร้างไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง

อย่างไรก็ตามประสิทธิภาพยังต่ำและในฐานะที่เป็นก๊าซไฮโดรเจนจึงเป็นเรื่องยากที่จะจัดเก็บ

บางทีสิ่งที่มีแนวโน้มมากขึ้นในระยะยาวคือการพัฒนาล่าสุดของทีมของเขาเกี่ยวกับอุปกรณ์ขนาดเล็กที่แปลงแสงแดดคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำให้เป็นออกซิเจนและกรดฟอร์มิกซึ่งเป็นเชื้อเพลิงเหลวที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูง

อุปกรณ์นี้ประกอบด้วยแผงที่วางอยู่ในอ่างน้ำและก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ภายใต้แสงแดดแผงจะปล่อยอิเล็กตรอนซึ่งรวมกับคาร์บอนไดออกไซด์และโปรตอนในน้ำเพื่อสร้างกรดฟอร์มิก

“ ระบบเหล่านี้เป็นเหมือนแผงหรือแผ่นงานเป็นอุปกรณ์ที่บางมากคุณแทบจะคิดว่ามันเหมือนกับแผ่นกระดาษ” Prof Reisner กล่าว

บางทีขั้นตอนที่ใหญ่ที่สุดของอุปกรณ์คือความจริงที่ว่ามันเป็นแบบสแตนด์อโลน ไม่ต้องใช้แหล่งพลังงานภายนอกหรือเติมตัวเร่งปฏิกิริยาเพิ่มเติมใด ๆ

แม้จะมีความท้าทายในการสังเคราะห์แสงเทียมที่ดึงดูดการลงทุนจำนวนมาก ในสหรัฐอเมริกากระทรวงพลังงานเพิ่งประกาศระดมทุน 100 ล้านดอลลาร์ (76 ล้านปอนด์) ในช่วง 5 ปี

เงินจะไปสู่โครงการสองโครงการที่แยกจากกัน: ศูนย์แนวทางไฮบริดในพลังงานแสงอาทิตย์ไปสู่เชื้อเพลิงเหลว (Chase) และ Liquid Sunlight Alliance (Lisa)

Chase นำโดยมหาวิทยาลัยนอร์ทแคโรไลนาที่ Chapel Hill (UNC) กำลังทำงานเกี่ยวกับการใช้งานจริงที่คล้ายกับอุปกรณ์ Cambridge โดยการพัฒนาระบบที่ใช้เซมิคอนดักเตอร์เพื่อดูดซับแสงเช่นเดียวกับแผงเซลล์แสงอาทิตย์จากนั้นใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาต่างๆ คาร์บอนไดออกไซด์เป็นเชื้อเพลิง

ศาสตราจารย์จิลเลียนเดมป์ซีย์รองผู้อำนวยการ Chase กล่าวเน้นการวิจัยเป็นพิเศษคือแนวคิดของตัวเร่งปฏิกิริยาแบบเรียงซ้อน การเปลี่ยนก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นเชื้อเพลิงที่ใช้งานได้เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงทางเคมีมากกว่าหนึ่งครั้งและตัวเร่งปฏิกิริยาสามารถจัดการได้ครั้งละหนึ่งครั้งเท่านั้น

“ขั้นตอนแรกทำในขั้นตอนแรกแล้วส่งผ่านผลิตภัณฑ์ไปยังตัวเร่งปฏิกิริยาถัดไป” เธอกล่าว “แต่ละคนจะดำเนินกระบวนการที่มีการคัดเลือกอย่างมากและส่งมอบหลังจากนั้นแต่ละขั้นตอนให้กับพาร์ทเนอร์ตามท้องถนน”

โครงการ Lisa กำลังใช้แนวทางเชิงทฤษฎีมากขึ้นโดยมุ่งเน้นที่การปรับปรุงทุกขั้นตอนและองค์ประกอบของการสังเคราะห์ด้วยแสงเทียม ตัวเร่งปฏิกิริยาและกระบวนการที่เป็นไปได้ถูกจำลองขึ้นโดยคอมพิวเตอร์ก่อนที่จะทดลองใช้

“ เรามีความพยายามด้านทฤษฎีอย่างจริงจังและทฤษฎีและการทดลองก็ดำเนินไปด้วยกัน” หัวหน้าโครงการแฮร์รี่แอทวอเตอร์แห่งคาลเทคกล่าว “ตอนนี้เรามีฐานข้อมูลที่ใหญ่ที่สุดในโลกครบวงจร”

ข่าวร้ายก็คือเราไม่น่าจะได้เห็นช่องที่เต็มไปด้วยแผงสังเคราะห์แสงในเร็ว ๆ นี้ ตามที่ Prof Dempsey ยังคงมีสิ่งที่ทำให้สะดุดอยู่

การรวมเทคโนโลยีทั้งหมดเข้าด้วยกันเป็นชุดเดียวเป็นปัญหา

“มีวิทยาศาสตร์ที่น่าทึ่งบางอย่างในแง่ของการเก็บเกี่ยวแสงในแง่ของการเร่งปฏิกิริยาที่ทำให้เกิดเชื้อเพลิงและในแง่ของการจัดการระบบ” เธอกล่าว

“แต่การรวมส่วนประกอบแต่ละส่วนเหล่านี้เข้ากับระบบที่สามารถสังเคราะห์ด้วยแสงได้นั้นเป็นความท้าทายอย่างมาก”

นอกจากนี้ยังยากที่จะตรวจสอบให้แน่ใจว่าปฏิกิริยาดังกล่าวก่อให้เกิดเชื้อเพลิงที่มีประสิทธิภาพในเชิงพาณิชย์โดยมีตัวเร่งปฏิกิริยาจำนวนมากที่สามารถบรรลุได้ว่ามีราคาแพงเกินไปหรือไม่มีประสิทธิภาพเกินไปสำหรับการใช้งานขนาดใหญ่

สุดท้ายนี้ Prof Dempsey กล่าวว่าความทนทานเป็นปัญหา: “เมื่อคุณต้องเผชิญกับรังสี [แสงแดด] ที่คงที่ซึ่งอาจทำให้เกิดปฏิกิริยาที่อาจเป็นอันตรายและมีฤทธิ์กัดกร่อนสูง”

เป็นผลให้การสังเคราะห์แสงเทียมยังไม่สามารถผลิตเชื้อเพลิงเหลวได้ในราคาถูกพอที่จะแข่งขันกับเชื้อเพลิงฟอสซิลได้

“ แต่ไดนามิกสามารถเปลี่ยนแปลงได้เร็วมาก” ศาสตราจารย์ไรส์เนอร์กล่าว

“ราคาน้ำมันสามารถเปลี่ยนแปลงได้การเก็บภาษีสามารถเปลี่ยนแปลงได้และเมื่อสิ่งต่างๆเริ่มเปลี่ยนไปในอนาคตราคาของการสังเคราะห์แสงเทียมจะลดลงและราคาเชื้อเพลิงฟอสซิลจะสูงขึ้นคำถามก็คือเมื่อเส้นเหล่านี้ข้ามไป

“ถ้าคุณย้อนกลับไป 10 ปีแม้แต่การคาดการณ์ในแง่ดีที่สุดสำหรับค่าไฟฟ้าที่ได้จากเซลล์แสงอาทิตย์ก็ไม่ตรงกับสิ่งที่เกิดขึ้นค่าใช้จ่ายลดลงถึง 85% ซึ่งน่าเหลือเชื่อเมื่อ Economy of Scale เข้ามาจำนวนมากก็เป็นไปได้ . ดังนั้นฉันจึงมองโลกในแง่ดีมาก “

Related posts