人工光合成：地球を救うことができるツーインワン技術
光合成：この惑星での生命の基本的なメカニズム、GCSE生物学の学生の惨劇、そして今や気候変動と戦うための潜在的な方法。科学者たちは、植物が太陽光を利用してCO2と水を燃料として使用できるものに変換する方法を模倣する人工的な方法の開発に懸命に取り組んでいます。それが機能すれば、それは私たちにとって双方にメリットのあるシナリオになります。この方法で生成された再生可能エネルギーの恩恵を受けるだけでなく、大気中のCO2レベルを削減する重要な方法になる可能性もあります。
しかし、植物が光合成を発達させるのに何十億年もかかり、自然界で起こっていることを再現することは必ずしも簡単な作業ではありません。現時点では、人工光合成の基本的な手順は機能しますが、あまり効率的ではありません。幸いなことに、この分野の研究は加速しており、この不可欠なプロセスを活用するためのステップを踏み出しているグループが世界中にあります。
2段階の光合成
光合成は、太陽光を取り込むだけではありません。暖かい太陽の下でトカゲが入浴することはそれをすることができます。光合成は、このエネルギー（「写真」ビット）をキャプチャして保存し、炭水化物に変換する方法（「合成」ビット）として植物で進化しました。植物は、太陽光を動力源とする一連のタンパク質と酵素を使用して電子を放出し、電子はCO2を複雑な炭水化物に変換するために使用されます。基本的に、人工光合成は同じ手順に従います。
「自然の炭素循環の一部である自然の光合成では、光、CO2、水が植物に流入し、植物が砂糖を作ります」と、電気コンピュータ工学科で働く博士候補のフィル・デ・ルナは説明します。トロント大学。 「人工光合成では、無機のデバイスや材料を使用しています。実際の太陽光発電部分は太陽電池によって行われ、エネルギー変換部分は電気化学的[存在下での反応]触媒によって行われます。」
このプロセスで本当に魅力的なのは、長期的なエネルギー貯蔵のための燃料を生産する能力です。これは、新しいバッテリー技術を使用しても、現在の再生可能エネルギー源が実行できることをはるかに超えています。たとえば、太陽が出ていない場合や風の強い日でない場合は、ソーラーパネルや風力発電所は単に生産を停止します。 「季節ごとの長期保管と複雑な燃料での保管には、より良いソリューションが必要です」とDeLuna氏は言います。 「バッテリーは、毎日、電話、さらには車にも最適ですが、バッテリーを搭載した[ボーイング] 747を実行することは決してありません。」
解決すべき課題
人工光合成のプロセスの最初のステップである太陽電池の作成に関しては、すでに技術が導入されています。それは太陽光発電システムです。しかし、通常は半導体ベースのシステムである現在の太陽光発電パネルは、自然と比較して比較的高価で非効率的です。新しいテクノロジーが必要です。はるかに少ないエネルギーを浪費するもの。
アトランタのジョージア州立大学のゲイリー・ヘイスティングスと彼のチームは、植物の元のプロセスを見るときに出発点に出くわした可能性があります。光合成では、重要なポイントは、セル内の特定の距離にわたって電子を移動することです。非常に簡単に言えば、太陽光によって引き起こされるこの動きが、後でエネルギーに変換されます。ヘイスティングスは、これらの電子が元の位置に戻ることができないため、プロセスが本質的に非常に効率的であることを示しました。「電子が元の位置に戻ると、太陽エネルギーが失われます。」この可能性は植物ではまれですが、ソーラーパネルで非常に頻繁に発生し、本物よりも効率が悪い理由を説明しています。
ヘイスティングスは、この「研究は化学または燃料生産に関連する太陽電池技術を進歩させる可能性が高い」と信じていますが、これは現時点では単なるアイデアであり、この進歩がすぐに起こる可能性は低いとすぐに指摘します。 「これらのアイデアに基づいて設計された完全に人工的な太陽電池技術の製造に関しては、技術はさらに先にあり、プロトタイプであっても今後5年以内にはないだろうと私は信じています。」
研究者が私たちが解決に近づいていると信じている問題の1つは、プロセスの2番目のステップであるCO2を燃料に変換することです。この分子は非常に安定しており、破壊するのに信じられないほどの量のエネルギーを必要とするため、人工システムは触媒を使用して必要なエネルギーを下げ、反応を加速します。ただし、このアプローチには独自の問題があります。マンガン、チタン、コバルトで作られた触媒を使って、過去10年間に多くの試みがありましたが、長期間の使用はそれ自体が問題であることが証明されています。理論は良いように見えるかもしれませんが、数時間後に機能を停止するか、不安定になるか、遅くなるか、細胞に損傷を与える可能性のある他の化学反応を引き起こします。
しかし、カナダと中国の研究者間のコラボレーションは大当たりしたようです。彼らは、ニッケル、鉄、コバルト、リンを組み合わせて中性のpHで機能させる方法を見つけました。これにより、システムの実行が大幅に容易になります。 「私たちの触媒は、CO2削減に必要な中性pH電解質でうまく機能するため、[a]メンブレンフリーシステムでCO2削減の電気分解を実行でき、電圧を下げることができます」とBoZhang氏は述べています。中国の復旦大学の高分子科学科。印象的な64％の電気から化学への電力変換により、チームは現在、人工光合成システムで最高の効率を誇る記録保持者です。
「私たちが今抱えている最大の問題は規模です」
彼らの努力により、チームはNRG COSIA Carbon XPRIZEで準決勝に到達し、研究で2,000万ドルを獲得することができました。その狙いは「発電所や産業施設からのCO2排出量を価値ある製品に変える画期的な技術の開発」であり、人工光合成システムの改良により、チャンスは十分にあります。
次の課題はスケールアップです。 「私たちが今抱えている最大の問題は規模です。スケールアップすると、効率が低下します」と、張氏の研究にも携わったDeLuna氏は言います。幸いなことに、研究者は改善点のリストを使い果たしておらず、現在、さまざまな組成とさまざまな構成を通じて触媒をより効率的にしようとしています。
2つの面で勝つ
確かに短期的にも長期的にも改善の余地はありますが、人工光合成は将来のクリーンで持続可能な技術として重要なツールになる可能性があると多くの人が感じています。
「フィールドが非常に速く動いているので、それは信じられないほどエキサイティングです。商業化に関しては、転換点にあります」とDe Luna氏は述べ、「それが機能するかどうかは、公共政策や再生可能エネルギー技術を受け入れるための業界による採用など、多くの要因に依存するだろう」と付け加えました。 。」
科学を正しく理解することは、実際には最初のステップにすぎません。ヘイスティングスやチャンなどによる研究をきっかけに、再生可能エネルギーに関するグローバル戦略に人工光合成を吸収するという重要な動きが生まれます。賭け金は高いです。それが成功すれば、燃料や化学製品の生産だけでなく、その過程での二酸化炭素排出量の削減という2つの面で勝つことができます。
