Uma amostra do material da placa de combustível solar, feito por deposição de camada atômica na Fundição Molecular do Laboratório Berkeley. Crédito:Marilyn Sargent / Berkeley Lab
O cientista Heinz Frei passou décadas trabalhando para construir uma versão artificial de uma das máquinas mais elegantes e eficazes da natureza:a folha.
Frei, e muitos outros pesquisadores ao redor do mundo, procuram usar a fotossíntese - a reação química impulsionada pela luz solar que as plantas verdes e as algas usam para converter o dióxido de carbono (CO 2 ) em combustível celular - para gerar os tipos de combustível que podem abastecer nossas casas e veículos. Se a tecnologia necessária pudesse ser refinada através de modelos teóricos e protótipos em escala de laboratório, esta ideia lunar, conhecido como fotossíntese artificial, tem potencial para gerar grandes fontes de energia totalmente renovável usando o excedente de CO 2 em nossa atmosfera.
Com seu último avanço, Frei e sua equipe do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) estão agora se aproximando desse objetivo. Os cientistas desenvolveram um sistema de fotossíntese artificial, feito de tubos nanométricos, que parece capaz de realizar todas as etapas principais da reação de geração de combustível.
Seu último artigo, publicado em Materiais Funcionais Avançados , demonstra que seu design permite o fluxo rápido de prótons do espaço interior do tubo, onde são gerados a partir da divisão das moléculas de água, para fora, onde eles combinam com CO 2 e elétrons para formar o combustível. Esse combustível é atualmente monóxido de carbono, mas a equipe está trabalhando para fazer metanol. Fluxo rápido de prótons, que é essencial para o aproveitamento eficiente da energia solar para formar um combustível, tem sido um espinho no lado dos sistemas anteriores de fotossíntese artificial.
Agora que a equipe mostrou como os tubos podem realizar todas as tarefas fotossintéticas individualmente, eles estão prontos para começar a testar o sistema completo. A unidade individual do sistema será pequenas "placas de combustível solar" quadradas (várias polegadas de lado) contendo bilhões de tubos em nanoescala ensanduichados entre um piso e um teto de finos, silicato ligeiramente flexível, com as aberturas dos tubos perfurando essas tampas. Frei tem esperança de que os tiles de seu grupo possam ser os primeiros a resolver os principais obstáculos que esse tipo de tecnologia ainda enfrenta.
“Existem dois desafios que ainda não foram cumpridos, "disse Frei, que é um cientista sênior na área de biociências do Berkeley Lab. "Um deles é a escalabilidade. Se quisermos manter os combustíveis fósseis no solo, precisamos ser capazes de produzir energia em terawatts - uma enorme quantidade de combustível. E, você precisa fazer um combustível de hidrocarboneto líquido para que possamos realmente usá-lo com os trilhões de dólares em infraestrutura e tecnologia existentes. "
Ele observou que, uma vez feito um modelo que atenda a esses requisitos, a construção de uma fazenda de combustível solar com muitos ladrilhos individuais poderia ser feita rapidamente. "Nós, como cientistas básicos, precisa entregar um ladrilho que funcione, com todas as questões sobre seu desempenho resolvidas. E os engenheiros da indústria sabem como conectar essas placas. Quando descobrimos as polegadas quadradas, eles serão capazes de fazer milhas quadradas. "
Uma imagem microscópica (figura superior) dos nanotubos, gerado em uma folha e um esquemático (imagem inferior) das camadas que compõem cada minúsculo tubo. Embutidos na camada de sílica estão "fios moleculares" feitos de cadeias curtas de hidrocarbonetos que se ligam ao óxido de cobalto no interior e se conectam ao limite do dióxido de sílica-titânio no lado oposto. Esses fios conduzem cargas, que são gerados por moléculas que absorvem luz nesse limite, através da membrana para o óxido de cobalto, permitindo a oxidação da água. Crédito:Berkley Lab
Como funciona
Cada minúsculo (cerca de 0,5 micrômetro de largura), tubo oco dentro da telha é feito de três camadas:uma camada interna de óxido de cobalto, uma camada intermediária de sílica, e uma camada externa de dióxido de titânio. Na camada interna do tubo, a energia da luz solar entregue ao óxido de cobalto divide a água (na forma de ar úmido que flui através do interior de cada tubo), produzindo prótons livres e oxigênio.
"Esses prótons fluem facilmente para a camada externa, onde eles se combinam com dióxido de carbono para formar monóxido de carbono agora - e metanol em uma etapa futura - em um processo habilitado por um catalisador suportado pela camada de dióxido de titânio, "disse Won Jun Jo, um pós-doutorado e primeiro autor do artigo. “O combustível se acumula no espaço entre os tubos, e pode ser facilmente drenado para coleta. "
Mais importante, a camada intermediária da parede do tubo mantém o oxigênio produzido pela oxidação da água no interior do tubo, e bloqueia o dióxido de carbono e as moléculas de combustível em evolução do lado de fora de penetrar no interior, separando assim as duas zonas de reação química muito incompatíveis.
Este projeto imita células fotossintéticas vivas reais, que separam as reações de oxidação e redução com compartimentos de membrana orgânica dentro do cloroplasto. Da mesma forma, em linha com o projeto original da natureza, os tubos de membrana da equipe permitem que a reação fotossintética ocorra em uma distância muito curta, minimizando a perda de energia que ocorre à medida que os íons viajam e evitando reações químicas não intencionais que também diminuiriam a eficiência do sistema.
"Este trabalho é parte do compromisso do Berkeley Lab em contribuir com soluções para os desafios urgentes de energia colocados pelas mudanças climáticas, "disse Frei." A natureza interdisciplinar da tarefa requer a amplitude de experiência e as principais instalações exclusivas do Berkeley Lab. Em particular, as capacidades de nanofabricação e imagem da Molecular Foundry são essenciais para sintetizar e caracterizar as camadas ultrafinas e fazer arranjos de nanotubos ocos do tamanho de uma polegada quadrada. "
