As plantas convertem a luz solar em energia por meio da fotossíntese. Podemos fazer o mesmo? iStockphoto.com/ooyoo Se a fonte de energia mais inteligente for abundante, barato e limpo, então as plantas são muito mais inteligentes do que os humanos. Ao longo de bilhões de anos, eles desenvolveram talvez a fonte de alimentação mais eficiente do mundo: fotossíntese , ou a conversão da luz solar, dióxido de carbono e água em combustível utilizável, emitindo oxigênio útil no processo.
No caso das plantas (assim como algas e algumas bactérias), "combustível utilizável" são carboidratos, proteínas e gorduras. Humanos, por outro lado, estão em busca de combustível líquido para alimentar carros e eletricidade para operar refrigeradores. Mas isso não significa que não podemos olhar para a fotossíntese para resolver nossa sujeira, caro-, desgraças de energia decrescente. Por anos, os cientistas vêm tentando encontrar uma maneira de usar o mesmo sistema de energia que as plantas usam, mas com uma saída final alterada.
Usando nada além da luz do sol como entrada de energia, as plantas realizam conversões massivas de energia, virando 1, 102 bilhões de toneladas (1, 000 bilhões de toneladas métricas) de CO 2 em matéria orgânica, ou seja, energia para animais na forma de comida, todos os anos [fonte:Hunter]. E isso usando apenas 3% da luz solar que chega à Terra [fonte:Boyd].
A energia disponível na luz do sol é um recurso inexplorado que apenas começamos a realmente dominar. Tecnologia de célula fotovoltaica atual, normalmente um sistema baseado em semicondutor, é caro, não terrivelmente eficiente, e só faz conversões instantâneas de luz solar para eletricidade - a produção de energia não é armazenada para um dia chuvoso (embora isso possa estar mudando:consulte "Existe uma maneira de obter energia solar à noite?"). Mas um sistema de fotossíntese artificial ou uma célula fotoeletroquímica que imita o que acontece nas plantas pode criar uma infinidade, fornecimento relativamente barato de todo o "gás" limpo e eletricidade de que precisamos para alimentar nossas vidas - e em uma forma armazenável, também.
Neste artigo, vamos dar uma olhada na fotossíntese artificial e ver até onde ela avançou. Vamos descobrir o que o sistema deve ser capaz de fazer, verifique alguns métodos atuais de obtenção de fotossíntese artificial e veja por que não é tão fácil de projetar como alguns outros sistemas de conversão de energia.
Então, o que um sistema de fotossíntese artificial deve ser capaz de fazer?
Conteúdo
Para recriar a fotossíntese que as plantas aperfeiçoaram, um sistema de conversão de energia deve ser capaz de fazer duas coisas cruciais (provavelmente dentro de algum tipo de nanotubo que atua como a "folha" estrutural):coletar a luz solar e dividir as moléculas de água.
As plantas realizam essas tarefas usando clorofila, que captura a luz do sol, e uma coleção de proteínas e enzimas que usam a luz do sol para quebrar H 2 Moléculas O em hidrogênio, elétrons e oxigênio (prótons). Os elétrons e hidrogênio são então usados para transformar CO 2 em carboidratos, e o oxigênio é expelido.
Para um sistema artificial funcionar para as necessidades humanas, a saída tem que mudar. Em vez de liberar apenas oxigênio no final da reação, teria que liberar hidrogênio líquido (ou talvez metanol) também. Esse hidrogênio poderia ser usado diretamente como combustível líquido ou canalizado para uma célula de combustível. Fazer com que o processo de produção de hidrogênio não seja um problema, uma vez que já está nas moléculas de água. E capturar a luz do sol não é um problema - os atuais sistemas de energia solar fazem isso.
A parte difícil é dividir as moléculas de água para obter os elétrons necessários para facilitar o processo químico que produz o hidrogênio. A divisão da água requer uma entrada de energia de cerca de 2,5 volts [fonte:Hunter]. Isso significa que o processo requer um catalisador - algo para fazer tudo funcionar. O catalisador reage com os fótons do sol para iniciar uma reação química.
Houve avanços importantes nessa área nos últimos cinco ou dez anos. Alguns dos catalisadores mais bem-sucedidos incluem:
Depois de aperfeiçoado, esses sistemas podem mudar a forma como abastecemos nosso mundo.
O cientista John Turner do NREL demonstra a capacidade de uma célula fotoeletroquímica (PEC) de produzir hidrogênio a partir da água usando a energia de uma fonte de luz. Imagem cortesia de Warren Gretz, Laboratório Nacional de Energia Renovável Os combustíveis fósseis estão em falta, e estão contribuindo para a poluição e o aquecimento global. Carvão, embora abundante, é altamente poluente tanto para o corpo humano quanto para o meio ambiente. As turbinas eólicas estão prejudicando paisagens pitorescas, o milho requer grandes extensões de terras agrícolas e a atual tecnologia de células solares é cara e ineficiente. A fotossíntese artificial pode oferecer um novo, possivelmente a maneira ideal de sair de nossa situação de energia.
Por uma coisa, tem benefícios em relação às células fotovoltaicas, encontrados nos painéis solares de hoje. A conversão direta de luz solar em eletricidade em células fotovoltaicas torna a energia solar uma energia dependente do tempo e do tempo, o que diminui sua utilidade e aumenta seu preço. Fotossíntese artificial, por outro lado, poderia produzir um combustível armazenável.
E ao contrário da maioria dos métodos de geração de energia alternativa, a fotossíntese artificial tem o potencial de produzir mais de um tipo de combustível. O processo fotossintético pode ser ajustado para que as reações entre a luz, CO 2 e H 2 O, em última análise, produzirá hidrogênio líquido. O hidrogênio líquido pode ser usado como a gasolina em motores movidos a hidrogênio. Também pode ser canalizado para uma configuração de célula de combustível, o que efetivamente reverteria o processo de fotossíntese, criando eletricidade combinando hidrogênio e oxigênio em água. As células a combustível de hidrogênio podem gerar eletricidade como a que obtemos da rede, então usávamos para ligar nosso ar condicionado e aquecedores de água.
Um problema atual com a energia do hidrogênio em grande escala é a questão de como gerar hidrogênio líquido de maneira eficiente - e limpa. A fotossíntese artificial pode ser uma solução.
O metanol é outra saída possível. Em vez de emitir hidrogênio puro no processo de fotossíntese, a célula fotoeletroquímica pode gerar combustível metanol (CH 3 OH). Metanol, ou álcool metílico, é tipicamente derivado do metano no gás natural, e muitas vezes é adicionado à gasolina comercial para que queime de forma mais limpa. Alguns carros podem até funcionar apenas com metanol.
A capacidade de produzir um combustível limpo sem gerar subprodutos prejudiciais, como gases de efeito estufa, torna a fotossíntese artificial uma fonte de energia ideal para o meio ambiente. Não exigiria mineração, crescendo ou perfurando. E uma vez que nem a água nem o dióxido de carbono estão em falta, também pode ser uma fonte ilimitada, potencialmente menos caro do que outras formas de energia no longo prazo. Na verdade, este tipo de reação fotoeletroquímica pode até mesmo remover grandes quantidades de CO prejudicial 2 do ar no processo de produção de combustível. É uma situação ganha-ganha.
Mas ainda não chegamos lá. Existem vários obstáculos no uso da fotossíntese artificial em escala de massa.
A natureza aperfeiçoou o processo de fotossíntese ao longo de bilhões de anos. Não será fácil replicá-lo em um sistema sintético. iStockphoto.com/Zemdega Enquanto a fotossíntese artificial funciona no laboratório, não está pronto para consumo em massa. Replicar o que acontece naturalmente em plantas verdes não é uma tarefa simples.
A eficiência é crucial na produção de energia. As plantas levaram bilhões de anos para desenvolver o processo de fotossíntese que funciona com eficiência para elas; replicar isso em um sistema sintético exige muitas tentativas e erros.
O manganês que atua como um catalisador nas plantas não funciona tão bem em uma configuração feita pelo homem, principalmente porque o manganês é um tanto instável. Não dura muito tempo, e não vai se dissolver na água, tornando um sistema baseado em manganês um tanto ineficiente e impraticável. O outro grande obstáculo é que a geometria molecular das plantas é extraordinariamente complexa e exata - a maioria das configurações feitas pelo homem não consegue reproduzir esse nível de complexidade.
A estabilidade é um problema em muitos sistemas de fotossíntese potenciais. Catalisadores orgânicos muitas vezes se degradam, ou desencadeiam reações adicionais que podem danificar o funcionamento da célula. Catalisadores de óxido de metal inorgânico são uma boa possibilidade, mas eles precisam trabalhar rápido o suficiente para fazer uso eficiente dos fótons que entram no sistema. Esse tipo de velocidade catalítica é difícil de encontrar. E alguns óxidos de metal que têm a velocidade estão faltando em outra área - abundância.
Nas células sensibilizadas com corantes de última geração, o problema não é o catalisador; em vez de, é a solução eletrolítica que absorve os prótons das moléculas de água divididas. É uma parte essencial da célula, mas é feito de solventes voláteis que podem corroer outros componentes do sistema.
Os avanços dos últimos anos estão começando a abordar essas questões. O óxido de cobalto é um estável, óxido de metal rápido e abundante. Pesquisadores em células sensibilizadas por corantes descobriram uma solução não à base de solvente para substituir o material corrosivo.
A pesquisa em fotossíntese artificial está ganhando força, mas não sairá do laboratório tão cedo. Levará pelo menos 10 anos para que esse tipo de sistema se torne realidade [fonte:Boyd]. E essa é uma estimativa bastante promissora. Algumas pessoas não têm certeza de que isso vai acontecer. Ainda, quem pode resistir à esperança de plantas artificiais que se comportam como a coisa real?
