Искусственные листья борются с изменением климата и становятся будущим энергетики

Мир стал пригодным для жизни для таких приматов, как мы, благодаря фотосинтезу, осуществляемому листьями, и сегодня ученые работают над созданием его искусственного варианта, чтобы снова решить многие наши проблемы, пишет Сатьен К. Бордолой.

В эпоху динозавров земля не была готова для людей. Атмосфера была богата углекислым газом. Но деревья и их листья были огромными. Это означало, что они использовали солнечный свет, поглощали углекислый газ и выделяли кислород в процессе, который мы назвали фотосинтезом. Количество кислорода в атмосфере росло – и наряду с другими факторами, такими как охлаждение планеты и разнообразие растений, – проложило путь к появлению приматов.

Таким образом, мир стал пригодным для жизни людей благодаря деревьям и их листьям. Поскольку мир переживает новый кризис – искусственный климатический кризис – ученые возвращаются к жизни, чтобы спасти планету для нас. Единственное отличие: на этот раз листья искусственные, искусственные и имеют скол. Ученые всего мира делают ставку на то, что они решат множество наших текущих проблем, от изменения климата до производства чистого и обильного топлива. Хотя этой области еще предстоит наверстать упущенное, у нее есть потенциал изменить мир больше, чем мы можем себе представить сегодня.

Потребность человека в энергии зашкаливает. Однако мы не можем сжигать больше ископаемого топлива для их производства, поскольку при этом выделяются парниковые газы. Как показывают Чернобыль и Фукусима, ядерная энергетика таит в себе свои опасности. Технология искусственных листьев, вдохновленная фотосинтезом, является одной из самых многообещающих технологий, появившихся за последние несколько десятилетий. Причина проста: вместо того, чтобы загрязнять окружающую среду, она поглощает загрязняющий углекислый газ и выделяет кислород, производя топливо для наших нужд. Таким образом, если бы мы могли повторить это в больших масштабах, мы могли бы не только создавать зеленую энергию, но и очищать мир.

Проблема в том, что фотосинтез — сложная и трудная химическая реакция. Хотя растения кажутся простыми – благодаря миллионам лет эволюции – на самом деле это включает в себя сложный набор процессов, включая улавливание солнечного света и расщепление молекул воды с образованием протонов, которые соединяются с атмосферным углекислым газом и производят энергию для роста растения. Несмотря на миллионы лет практики, заводы в лучшем случае достигают эффективности лишь в 1 процент. Какой шанс был у нас, людей?

Оказывается, много. Ученые поняли, что они могут объединить три отрасли науки: химию, биологию и информационные технологии, чтобы создать своего рода бионическую версию натурального листа, которую они называют искусственным листом или бионическим листом.

На протяжении веков люди наблюдали, как растения протягивают свои листья солнцу, чтобы поглотить свет, достигающий Земли. Мы веками мечтали, сможем ли мы построить что-то, имитирующее это. Хотя технология еще не существовала, когда эта идея впервые пришла к людям, в эпоху цифровых технологий у нас теперь есть ресурсы для этого.

Термин «лист» употребляется неправильно, но является путеводной звездой. Неправильное название, поскольку эти устройства представляют собой цифровые гаджеты с чипами и электродами. Направляющий свет, потому что его основной принцип тот же, что и у листа, то есть фотосинтез: иметь большую площадь поверхности, подвергающуюся воздействию солнца, чтобы забирать его энергию, усваивать соединения, доступные в воздухе, для производства чего-то еще.

Солнечные панели также изготавливаются из чипов и работают на солнечной энергии. Можно ли назвать солнечные панели искусственными листьями? Не совсем, потому что, хотя принцип и похож, это не то же самое. Солнечные панели просто берут солнечную энергию и преобразуют ее в электрическую энергию, которую мы можем использовать в наших целях. Когда мы говорим «искусственный лист», мы имеем в виду еще один уровень сложности: способность также брать газы и соединения из воздуха – так же, как это делают листья – и превращать их во что-то полезное для нас.

Первый настоящий прорыв в создании бионического листа был достигнут в 2011 году.

В 2011 году исследователи из Массачусетского технологического института под руководством профессора Дэниела Носера создали устройство, которое, как и листья, может превращать солнечную энергию непосредственно в химическое топливо. Прелесть их искусственного листа заключалась в том, что для его работы не требовались внешние провода или элементы управления. По сути, это был кремниевый солнечный элемент с различными каталитическими материалами, приклеенными на его двух сторонах. Если поместить его в воду и подвергнуть воздействию солнечного света, вода начнет пузыриться. Это были пузырьки кислорода с одной стороны и водорода с другой. Помещенные в контейнер, который мог бы стать барьером, разделяющим две стороны, пузырьки можно было бы собирать и использовать для различных действий, в том числе для производства энергии путем подачи их в топливный элемент. Хотя это устройство можно было использовать в беспроводной конфигурации, при подключении его эффективность разделения воды увеличилась с 2,5% до 4,7%. Документ, подробно описывающий то же самое, можно прочитать здесь.