Изкуствена фотосинтеза

https://www.youtube.com/watch?time_continue=1&v=2KRlRhNbxKg&feature=emb_logo
https://www.youtube.com/watch?v=cdTuwe2SruA&feature=emb_logo
https://www.youtube.com/watch?v=1ob9uaWG8OQ&feature=emb_logo
https://www.youtube.com/watch?v=wvKmaX_yLiI&feature=emb_logo

   https://paraatmajiwaatmavedaanta.blogspot.com/2020/08/blog-post_50.html?fbclid=IwAR3Gxd7Tqx4bkAPRIcQAnV4gyyKVc-3jLVWkEkrydtiIcxWwhddmCNqvjyk
           

                      четвъртък, 20 август 2020 г.

Изкуствена фотосинтеза и производство на енергия. Изкуствена фотосинтеза, евтин източник на енергия. 
               https://static.wixstatic.com/media/

Фотосинтезата е превръщането на зададената енергия в химическа енергия. Под въздействието на електромагнитното излъчване на видимия спектър водата и въглеродният диоксид се превръщат в молекулен кислород и глюкоза, а водата също се разделя на водород и кислород.

По този начин изкуствената фотосинтеза има две посоки, задачи:
Преобразуване на въглероден диоксид от атмосферата (борба с парниковия ефект, замърсяване и като страничен продукт, гориво и други съединения).
Производство на водород от вода, която ще се използва за производство на електроенергия и като гориво.

Изкуствената фотосинтеза стана възможна благодарение на използването на изкуствени наноразмерни надмолекулни системи.

Преобразуване на въглероден диоксид

Принципът на системата за изкуствена фотосинтеза включва превръщането на атмосферния въглероден диоксид в органични съединения, използвайки светлинна енергия.

Получените химични образувания ще бъдат използвани допълнително за производството на горива, различни видове пластмаси и фармацевтични продукти. Освен енергията на слънцето, химическата реакция не изисква допълнителни източници на енергия.

Технологията за изкуствена фотосинтеза позволява превръщането на въглеродния диоксид в метанол. Иновативната система се захранва от специални бактерии и енергията на слънчевата светлина. Това развитие ще позволи на човечеството да намали използването на изкопаеми енергийни източници - въглища, нефт и природен газ.

Технологията за преобразуване на CO2 в индустриални мащаби трябва да промени много отрицателни за околната среда процеси на планетата. Много експерти виждат този аспект като начин за борба с глобалното затопляне.
Възможност за инсталиране на изкуствена фотосинтеза

В процеса на естествена фотосинтеза листата използват енергията на слънцето, за да обработят въглероден диоксид, който реагира с водата и образува биомасата на растението. В система от изкуствена фотосинтеза, нанопроводите, изработени от силиций и титанов диоксид, получават слънчева енергия и доставят електрони на бактериите Sporomusa ovata, благодарение на които въглеродният диоксид се обработва и реагира с вода, давайки различни химикали, включително ацетати.

Генетично модифицираните бактерии Escherichia coli са способни да трансформират ацетати и оцетна киселина в сложни органични полимери, които са "градивни елементи" за получаване на полимери с pH, изопрен и биоразградим n-бутанол. Получените съединения са част от обикновените химически продукти - от бои и лакове до антибиотици.

           
Изкуствено листо

Усилията на английския учен Джулиан Мелкиори разработи синтетичен лист, способен да изпълнява функциите на фотосинтеза. В изкуствения зелен лист се използват хлоропласти, получени от обикновени растения. Според технологията хлоропластите се поставят в протеинова среда, поради което те се разпределят равномерно в цялата течност и не се коагулират. Предполага се, че тази разработка ще се използва в градска среда за производство на кислород. Възможно е синтетичният лист да намери приложение в областта на космическите изследвания.

Подобна симбиоза на полупроводникови елементи с живи организми може да се превърне в основата за по-нататъшното развитие на програмируема система за фотосинтез, която ще произвежда широка гама от органични вещества, използващи само слънчева енергия. Ако бъдещата система работи правилно, човечеството ще може да създава пластмаса и горимо гориво от въздуха.
  Енергия от фотосинтезата

Подобно на естествените преобразуватели на слънчевата енергия, изкуствените фотосистеми трябва да се състоят от такива компоненти:
Ловец на слънчева радиация
Център за реакции,
Средства за съхраняване на получената енергия.

Най-важната задача, която се решава в лаборатории, е да се повиши ефективността на изкуствената фотосинтеза.Следователно значителна част от работата се свежда до намирането на оптимални материали за създаване на всеки от горните блокове.

Очаква се система от изкуствена фотосинтеза с висока ефективност и наноразмер в робототехниката, по-специално в областта на създаването на нанороботи, където въпросът за енергоснабдяването е един от ключовите.

Очаква се компактните инсталации за генериране на енергия от фотосинтеза да заменят слънчевите панели и вятърните мелници в домовете с нулева консумация, а също така имат перспективи за интегриране в системи за интелигентни дома, специализирани в енергийната самодостатъчност.

Високата естествена ефективност е категорична насока в развитието на индустрията за слънчева енергия. Но сега този естествен пример за висока производителност може да е остарял.

За първи път учените успяха ефективно да комбинират химическата електролиза с активността на бактериите. Системата произвежда алкохол и други вещества буквално "от въздуха"

Изследователи от Харвардския университет са създали бионична система, която преобразува и съхранява слънчевата енергия в химическа форма, използвайки хибриден механизъм от неорганични материали и живи микроорганизми. Подобна схема помага да се решат два проблема наведнъж: 1) запазване, което се произвежда в изобилие през дневните часове и което не е достатъчно вечер; 2) елиминиране на излишния CO2 от атмосферата.

Устройството, наречено Bionic leaf 2.0, е създадено на базата на предишна версия на листото, която е разработена от същия екип учени. Системата за генериране на енергия се състои от слънчев панел, затворен между листата на кобалтов катализатор и клетка с Ralstonia eutropha бактерии, заемащи долната половина на листа. Когато се потопи в съд с вода при стайна температура и нормално налягане, изкуственият лист симулира фотосинтеза. Токът от слънчевите пластини на Bionic leaf 2.0 се подава към катализатори, които разграждат молекулите на водата до кислород и водород. Тогава водородът влиза в клетките с ГМ бактерии, които се отличават с това, че могат да комбинират водородни молекули с въглерод, получен от въздуха, и да ги превърнат в течно гориво.

Полученият водород вече може да се използва като гориво, но учените решиха да усложнят системата, за да я направят по-ефективна. В следващата стъпка влизат в игра бактериите Ralstonia eutropha, които се хранят с водород и CO2 от атмосферата. Благодарение на тези хранителни вещества бактериалната колония активно нараства в размер. Сред отпадъчните продукти на микроорганизмите са различни полезни химикали. Учените експериментираха с генетични модификации и разработиха бактерии, които произвеждат различни видове алкохол (С3 и С4 + С5 в диаграмите) и пластмасови предшественици (PHB в диаграмите).


„За тази работа разработихме нов катализатор на базата на кобалт и фосфор, който не произвежда реактивни видове кислород. Това ни позволи да намалим стреса, което доведе до рязко повишаване на ефективността “, коментира един от авторите на работата.

Учените се опитват от десетилетия да отглеждат бактерии върху електродите, за да ги накарат да участват в химическата верига на реакциите, но в този процес постоянно се появяват различни проблеми, които възпрепятстват създаването на наистина ефективна система

Основният от тези проблеми е излугването на тежки метали от електродите, както и появата на кислород в активна форма. И двата процеса потискат живота на щастливи, здрави бактерии. Важно откритие от химиците от Харвард беше използването на система за електролиза с катод и анод на базата на кобалт. По същество катодът и анодът произвеждат синергичен ефект, представляващ система за самолечение. Ако единият се разгради, вторият го снабдява с вещества и обратно.


"Мисля, че това всъщност е доста вълнуващо проучване", коментира пред колегите Йоханес Лишнер от Imperial College London. „Преобразуването на слънчевата светлина във високоефективни химически горива е малко като Светия Граал за възобновяема енергия.“

Според независими експерти, които не са свързани с това изследване, научната работа е наистина революционна. За първи път в историята учените успяха да съчетаят химическата електролиза с активността на бактериите с високо енергийно преобразуване и енергийна ефективност. Работата в тази посока продължава от 60-те години.

Ако комбинирате тази система с конвенционални фотоклетки, тогава ефективността на възстановяване на CO2 ще бъде около 10% - това е по-високо, отколкото при естествената фотосинтеза!

Учените предполагат, че тяхната система за ефективна електролиза с преобразуването на енергията в течно гориво ще намери приложение преди всичко в развиващите се страни, където няма развита електрическа инфраструктура, която да разпределя и поддържа електричеството, генерирано от слънчеви панели през деня.


В бъдеще хората ще започнат да покриват покривите на къщите с нов метало-органичен материал, като по този начин генерират енергия за домакинството и пречистват въздуха в двора.

Група учени от Университета в Централна Флорида и Университета на Флорида са създали нов материал, който под въздействието на видима светлина преобразува въглероден диоксид в органична материя чрез изкуствена фотосинтеза.

Опити за възпроизвеждане на фотосинтеза - превръщането на енергията на слънчевата светлина в енергия на химически връзки, се предприемат отдавна, но наскоро те се засилиха поради глобалното затопляне. Факт е, че CO 2, който служи като изходен материал за фотосинтеза, е на второ място след водни пари в атмосферата по отношение на приноса си към парниковия ефект.

Фотокаталитичните свойства са известни за някои небиологични вещества, по-специално за органометални рамки - кристални съединения, състоящи се от метали и органични вещества. Обикновено те се появяват при осветяване с ултравиолетова светлина, чийто дял в слънчевата светлина е само 4 процента. В допълнение, те обикновено използват изключително скъпи метали като платина, рений и иридий. Поради това използването им за изкуствена фотосинтеза е много скъпо. В своята работа учените решиха да използват органометална рамка, базирана на много по-достъпен титан. Органичната част по същество служи като "антена" за поглъщане на светлина. Чрез леко модифициране на това вещество изследователите биха могли да променят диапазона на светлината, в който то работи. Те решиха да го адаптират към синьо.




За да симулират слънчевата светлина, инженерите сглобиха „фотореактор“ - цилиндър, залепен вътре с LED лента, излъчваща синя светлина. Вътре в цилиндъра беше суспендирана колба с вещество, което беше издухано с въглероден диоксид. Хипотезата на учените е потвърдена и част от CO 2 се превръща в органични вещества: формаат и формамид, които могат да се считат за слънчево гориво и да се използват за генериране на енергия.

В бъдеще учените ще повишат ефективността на изкуствената фотосинтеза и количеството на преработен CO 2, както и да адаптират материала си към други обхвати на видимата светлина. Те също така предложиха концепцията за създаване на специални пречиствателни станции във фабрики с голямо количество емисии на парникови газове, които да обработват CO 2, произведен от процеса, да го преработват в енергия и да го връщат в централата.


  https://www.youtube.com/watch?time_continue=2&v=cdTuwe2SruA&feature=emb_logo
        

Това не е първото изследване за изкуствената фотосинтеза. Например през 2015 г. учените създадоха устройство, което в света разгражда водата до кислород и водород за водород-кислородни горивни клетки, а след това в MIT показаха подобно устройство, в което водородът и въглеродът, получени от въздуха, се преработват от генетично модифицирани бактерии в течно гориво. Някои изследователи предпочитат да не създават изкуствен апарат за фотосинтеза, а да повишат ефективността на фотосинтезата в растенията, както направи международна група учени наскоро. публикувано

През 1976 г. д-р Джоузеф Кац от Арагон Нат., Илинойс, САЩ, създава „изкуствения лист“, както пресата нарича откриването на изкуствена фотосинтеза.

Всъщност това беше горивна клетка, произведена по време на един от етапите на фотосинтеза, а именно този, при който фотоните се сблъскват с хлорофил, допринасяйки за излъчването на електрони. Откритието е източник на евтина енергия от вода и хлорофил, както и източник на водород, който се счита за идеалното гориво. В същото време тя представлява важна стъпка към изкуствения синтез на органични вещества (въглехидрати и мазнини).

Фотосинтезата е процес, при който, използвайки светлината като източник на енергия, растенията синтезират сложни органични вещества от въглерод, който идва от прости неорганични вещества (въглероден диоксид). Операцията се провежда в специализирани клетъчни органели, наречени хлоропласти, които съдържат необходимия за действието зелен пигмент хлорофил. Процесът е изключително сложен.

На първия етап на фотосинтезата хлорофилът поглъща фотони светлина от слънчевата радиация и в отговор произвежда еквивалентен брой електрони. Тези електрони водят до образуването на ензими, необходими за следващите етапи на фотосинтезата. Хлорофилът намалява електроните във водни молекули по време на процес, наречен фотолиза на водата, който включва един от формираните по-рано ензими, катализирани от структури, съдържащи манганови и калциеви атоми. Водните молекули се разделят на водородни и кислородни йони; водородът участва в химични реакции, водещи до образуването на ATP молекули, а кислородът се отделя в атмосферата и се използва от безброй организми за дишане.

На втория етап растенията се абсорбират от атмосферата и, използвайки редица ензими във верига от сложни операции, такива въглехидрати като захароза или нишесте и други органични вещества се изграждат от въглерод, извлечен от CO2.

В този процес е важна неговата ефективност: почти нищо не се губи, биохимичните цикли работят с голяма скорост и точност, които изглеждат неправдоподобни, ензимите постоянно се обработват и се прераждат.

Фотосинтезата е явление, което, въпреки че е проучено до най-малки детайли, все още е чудо.

Наскоро група изследователи от Масачузетския технологичен институт (MIT), ръководени от професор Даниел Г. Ночера, обявиха, че са получили това, което наричат u200bu200b"първото изкуствено листо": слънчев мини панел с размери за карти от евтин, стабилен и устойчив на износване полупроводников материал, покрит с катализаторни съединения, който при потапяне във вода симулира процеса на фотосинтеза с висока степен на ефективност. Ако този материал ви е харесал, ние ви предлагаме селекция от най-добрите материали на нашия сайт според нашите читатели. Селекция - ТОП за екологично чисти технологии, нови науки и научни открития, които можете да намерите там, където ви е най-удобно

Но в същото време има няколко сериозни пречки за по-нататъшното развитие на индустрията. Ефективността на преобразуването на слънчевата светлина от силиконовите панели почти достигна своя максимум, системите за съхранение на излишна електроенергия не са достатъчно развити (както технологично, така и от гледна точка на инфраструктурата), а електрическите мрежи не са готови за новите си функции - да доставят електроенергия от разсеяни източници с ниска мощност.

Поради това се извършва активно търсене на възможности за прехвърляне на слънчевата енергия на ново ниво - извън границите на силиконовите панели, които вече са станали традиционни. Много учени и предприемачи започват да гледат отблизо растенията.

Колко растения съществуват, толкова много имат способността да преобразуват енергията на слънчевите лъчи в химическа енергия, което подхранва жизнената им дейност. Да не говорим за способността за преобразуване на въглеродния диоксид в кислород в този процес (което би било много полезно за човечеството за пресъздаване).

Какво е толкова пробив в изкуствената фотосинтеза?

Изкуствената фотосинтеза ще ви позволи да получите повече енергия от слънчевата светлина и ще даде възможност за ефективното й натрупване.

Този процес ще позволи преобразуването на слънчевата светлина в химическа енергия, която ще се съхранява удобно. Няма да има странични продукти като парникови газове. Обратно, в процеса въглеродният диоксид може да бъде изхвърлен по същия начин, както при растенията.

Растения за товаизползвайте хлорофил , Съдържа се в листата и улавя слънчевата светлина, а набор от ензими и други протеини използва тази светлина за разграждане на водните молекули до водород, електрони и кислород (протони). Електрони и водород се използват за превръщането на CO2 в растителни хранителни вещества и кислородът се отделя в атмосферата.

Какво е необходимо за протичането на процеса изкуствен фотосинтеза?

За да се пресъздаде фотосинтезата в изкуствени условия, са необходими две ключови стъпки: събират слънчева енергияи способност разграждат молекулите на водата.

Но за разлика от естествената фотосинтеза е необходимо изходът да не е кислород, а водород (или друг биогаз, например метан).

Има ли инсталация, където се извършва изкуствена фотосинтеза?

Няма универсална такава инсталация. Изкуствената фотосинтеза е изключително експериментален процес и учените използват съвсем различни подходи за нейното стартиране. И всички те са само за лаборатории. Но има обща концепция за средата, в която се извършва изкуствената фотосинтеза - "Изкуствен" лист.



Примери за растения за изкуствена фотосинтеза

Изкуствен лист е мястото, където са поставени полупроводници и живи бактерии, върху които грее слънчева светлина. Първото изкуствено листо (фотосинтетична биохибридна система) беше успешно тествано не толкова отдавна - през април 2015 г.

За да започнат процеса на изкуствена фотосинтеза в изкуствен лист по време на първия експеримент, учените поставят всички материали във водата, където изпомпват въглероден диоксид, докато осветяват цялата тази система със слънчева светлина.



Полупроводниците в този процес събират слънчева енергия, генерирайки заряда, необходим за реакцията да се проведе в този разтвор. Бактерията използва електроните, генерирани от полупроводника, за да преобразува (или намали) молекулите на въглеродния диоксид и в резултат създава течно гориво - може да бъде водород, метан, етанол и др. В същото време водата се окислява на повърхността на друг полупроводник и се отделя кислород.

Слънчевите панели отдавна събират енергия и освен това знаят как да получават водород. Защо е трудно за изкуствената фотосинтеза?

Цялата сложност се крие при разцепването на молекула вода - направете така, че електроните да бъдат изпратени за поддържане на химичния процес на производство на водород. Разделянето на водата изисква около 2,5 волта енергия. Това означава, че един процес се нуждае от катализатор, който ще накара всички „елементи на уравнението“ да се движат.

Но е трудно да се създаде ефективен катализатор и въпреки че някои от тях са много способни да работят в лабораторията (наскоро учените излязоха с използването на два катализатора), те се оказват неподходящи за „полеви“ условия.

Първо, редица съединения, използвани в лаборатории, съдържат скъпи благородни или тежки токсични метали. Второ, някои процеси протичат само при много високи температури или под ултравиолетова светлина и много от използваните съединения бързо губят своите каталитични свойства. И двете са неприемливи за търговска употреба и широкомащабно производство на енергия.

Какво правят, за да разрешат този проблем?

Провеждайте много експерименти.

Първо, има учени, които развиват напълно изкуствена фотосинтеза (абиотична). Те имитират естествения процес, без да участват живи организми. Като цяло тези разработки се свеждат до създаването на принципно нов катализатор, тъй като съществуващите (базирани на метали като магнезий, титан, кобалт рутений и др.) Далеч не са ефективни.

Второ, има разработки, които използват живи организми (засега само бактерии и отделни клетки), принуждавайки ги да генерират енергия под формата на водород или други биогорива. Днес именно тази област се счита за една от най-перспективните технологии за развитие на изкуствена фотосинтеза. Използване на живи клетки разширява обхвата (извън търсенето на по-подходящ катализатор) на развитието и позволява използването на естествени, съществуващи механизми. Но това предполага намеса в генетичната структура на клетката.

Как могат генетичните модификации да помогнат за генериране на енергия?

Най-общо се взема жива клетка, за предпочитане със способността за фотосинтеза, които въвеждат "функцията" на производството на енергия.

Например, лаборатория Алгенол във Флорида провежда такъв експеримент върху цианобактерии (също способен на фотосинтеза, но много по-лесен за генетична интервенция, отколкото клетките на хлоропласта в листата). Учените успяха да създадат автономно функционираща водна екосистема, в която живеят цианобактерии, генетично модифицирани специално за производството на етанол. Този метод изисква само 1/10 от териториите, които са необходими за получаване на етанол от други източници на биоенергия (например обработка на царевица или други култури).



Можете също така да синтезирате цял организъм от нулата - в Института за генетични изследвания в Мериленд (Институт Дж. Крейг Вентър) и да работите върху него. Тук те искат да създадат отделна нова бактерия, която съчетава способността на абсорбция на светлина, присъща на цианобактериите, със способността на разделяне на водата, присъща на други фотосинтетични бактерии.

В идеалния случай целта на тези изследвания е да се създаде изкуствена енергия, генерираща клетка от нулата, като се използва най-простият геном. Това би позволило на учените да изберат най-полезните характеристики от клетката, като избягват гените, отговорни за други функции, които консумират излишната енергия.

Как могат тези ГМО панели да почистват въздуха?

В процеса на фотосинтеза живите растения абсорбират въглероден диоксид, превръщат въглерод в глюкоза и го "консумират" за нуждите си от поминък и кислородът се отделя в атмосферата. Изкуствената фотосинтеза може да пресъздаде нещо подобно.

Преди няколко седмици учени от Флорида говориха за своя успешен опит в използването на фотосинтеза за улавяне на въглероден диоксид и след това превръщането му в биогориво. Те синтезираха материал, наречен метало-органична рамка, който е направен от титанови и органични молекули, които работят като антени за събиране на светлина, за да улавят енергията на видимата светлина. Молекулите на материала са оформени като пчелни пити, с празнини, които могат да бъдат запълнени с въглероден диоксид по време на дифузия. Но за да започнат реакцията на разрушаване на въглеродния двуокис, учените използват спектър на синята светлина, в резултат на химическа реакция от CO2 се получават продукти, подобни на естествените захари, които растенията произвеждат.

Учените казват, че в бъдеще тяхната технология може да се използва в електроцентрали за улавяне на въглероден диоксид при изгарянето на газ.

                     Fernando Uribe-Romo on Synthetic Photosynthesis  
Учени от Харвард внесоха подобна технология. Ефективността на преобразуване на чист въглероден диоксид от тази система е 10%, ако бактериите го улавят от въздуха - 3-4%.


                          Bionic Leaf Turns Sunlight Into Liquid Fuel
Как да използваме този „чудотворен“ процес? Може ли да се вгради в соларни панели?

Във всеки случай вземането на генетично модифицираното растение в саксия и свързването на телефона към него няма да работи; Поне засега.

Изкуствената фотосинтеза във всеки случай, дори и най-ефективната, произвежда водород, който след това може да се преобразува в електричество, ако е необходимо. Това е добре, тъй като водородът е много по-удобен за съхранение от електричеството.
https://vit-vladimir.ru/                   

https://esartificialphotosynthesis.weebly.com/
           https://www.researchgate.net/figure/Natural-photosynthesis-vs-artificial-photosynthesis_fig2_326356800
              https://phys.org/news/2015-08-milestone-hybrid-artificial-photosynthesis.html
          
https://blogs.anl.gov/solar-energy/artificial-photosynthesis/