Nate Lewis på kunstig fotosyntese

Nate Lewis, George L. Argyros professor i kjemi ved California Institute of Technology, jobber for å utvikle nye teknologier for å møte fremtidens enorme energibehov på en bærekraftig måte. Lewis spesialiserer seg i det som kalles kunstig fotosyntese. I naturen er fotosyntese prosessene plantene bruker for å lage mat av solens energi. Dr. Lewis jobber for å etterligne den prosessen. Ved hjelp av spesielle materialer bygger han bittesmå celler som - når de blir truffet av lys og omringet av vann - skaper brensel. Hydrogen forbrenner "rent." Det vil si at det ikke produserer karbondioksid (CO2) når det forbrennes. Denne podcasten er en del av Thanks To Chemistry-serien, produsert i samarbeid med Chemical Heritage Foundation. Generøs sponsorstøtte ble gitt av BASF Corporation. Ekstra produksjonsstøtte ble gitt av Camille og Henry Dreyfus Foundation, DuPont og ExxonMobil. Nate Lewis snakket med EarthSky's Beth Lebwohl.

Planter bruker sollys for å lage mat. Det er fotosyntesen. Men laboratoriet ditt jobber med en kunstig fotosyntese. Hva er målet?

Plante celler. Bildekreditt: Kristian Peters

Planter regnet ut at den beste måten å lage og utnytte ren energi ville være å ta den største ressursen vi har - solen - og konvertere den til det som driver nesten all energi og forbruk på planeten vår i dag, som er kjemisk drivstoff. Men planter gjør det ikke veldig effektivt, og de lager et drivstoff som vi ikke kan bruke, i det minste ikke direkte, med mindre du vil spise de deilige grønnsakene som kommer ut av det. Men det meste av det planter lager, kan ikke direkte brukes som drivstoff av mennesker.

På samme måte som fugler har fjær, og vi vet at det derfor er mulig å fly, men vi bygger ikke fly ut av fjær, vi vet at det er mulig å ta sollyset og lage kjemisk drivstoff. Vi skal bygge maskinene våre som skal ta sollys og direkte lage drivstoff som noen kan bruke hvor som helst, når som helst for energien deres.

La oss snakke om et spesifikt produkt fra laboratoriet ditt en fotoelektrokjemisk celle som brukes i kunstig fotosyntese med mål om å lage hydrogenbrensel - på enklest mulig vilkår. Hvordan vil det fungere?

Vi vet at det er mulig med halvledende materialer som de som brukes i solcellepaneler, men et annet sett med materialer som platina og silisium, for å faktisk ta disse materialene, og i stedet for å dekke dem med elektriske ledninger, fordyper vi materialet i vann. Og ved å tilføre sollys, kan man dele det vannet og produsere hydrogengass og oksygengass direkte. Du ville samle på hydrogenet, og deretter kunne bruke det senere i en brenselcelle. Eller du kan konvertere den til flytende drivstoff, eller bruke den til andre ting. Du ville deretter få oksygenet tilbake fra luften ved forbrenningspunktet av hydrogenet eller det andre drivstoffet du laget. Vi vet at dette allerede fungerer.

Bildekreditt: spcbrass

Du snakket om å splitte vann. Hva mener du med det?

Vann har den kjemiske formelen H2O. For å splitte det, sjonglerer du båndene i vannet på nytt, for å lage ett molekyl av H2, og den ene halvparten av O2 som lager oksygenmolekylene som er i luften vår.

Drivstoffet som følger av det er hydrogenet - H2 - fordi det kan lagres og deretter brennes. Akkurat som bensin forbrennes med oksygen fra luften, forbrennes hydrogenet med oksygen fra luften. I dette tilfellet, i stedet for å lage karbondioksid, ville det lage vann. Så det brenner rent, fordi det eneste biproduktet faktisk er drikkevann fra forbrenningsprosessen.

Hvordan ser denne fotoelektrokjemiske cellen ut? Hva er det inni det som får den til å gjøre dette arbeidet?

Det vil bare være et fleksibelt materiale, sånt som Slip 'n Slide eller bobleplast, et multifunksjonelt stoff som du vil rulle ut, og det vil være et topp klart lag som vil suge opp vann som en svamp fra luft. Da vil det mellomliggende laget absorbere sollys, og dekomponere vannmolekylene til hydrogen og oksygen. Vi kommer til å la oksygenet bli luftet akkurat som gjennom en regnjakke når du lar det puste. I bunnen ville vi veke ut enten det gassformige eller flytende drivstoffet, samle det inn i en tank, og så kunne vi bruke det til å kjøre bilene våre, til å kjøre brenselceller, lage flytende drivstoff ut av, for å gi energien som vi trenger selv når han ikke skinner.

Hva er tidslinjen på dette? Når kan vi forvente å se dette på markedet, til generell bruk eller i bruk i industrien?

Målet vårt er å bygge prototyper som faktisk fungerer i løpet av de to første årene av dette prosjektet, kalt Joint Center for Artificial Photosynthesis, som er et energiinnovasjonssenter sponset av Department of Energy.

Og så setter vi i gang et veldig aggressivt prosjekt, fordi ingen faktisk har bygget en solenergi-generator som du kan holde i hånden din, som virkelig er et kunstig fotosyntetisk system. Vi vet at de første prototypene vi bygger ikke kommer til å fungere veldig bra, eller kanskje ikke varer så veldig lenge, eller kanskje bruker for dyre stykker. Og så skal vi bygge et nytt, og det kommer til å fungere litt bedre. Og så skal vi bygge den tredje, og den kommer til å fungere bedre. Vi kommer til å lære av feilene våre til vi bygger en femte som virkelig er den som er den vi prøver å tenke på å flytte inn i det kommersielle foretaket.

Vi tror dette er en utvikling i utvikling av teknologi. Men du kan ikke fly før du kommer fra bakken, og målet vårt er å gå av bakken, å bygge det som viser at vi kan lage en teknologi som virkelig, direkte kan gjøre det planter gjør, men bedre, lage drivstoff direkte fra solen.

Hva er noen av de store hindringene du står overfor nå eller har møtt tidligere med tanke på kunstig fotosyntese?

Det er kjemisk vanskelig å ta lysfotonene og elektronene som er produsert viljestille overalt i et materiale, og så å koble dem sammen for å lage og bryte de kjemiske bindinger som er nødvendige for å gjøre ekte fotosyntese. Vi må utvikle de katalysatorene som kan gjøre det, så vel som materialene for å absorbere lyset for å levere disse elektronene til de katalysatorene, slik at alle delene av systemet fungerer sammen i harmoni samtidig.

Hva er et eksempel på en slik katalysator?

En katalysator akkurat nå som deler vann i hydrogen og oksygen, ville være et kostbart metall som platina kombinert med et annet dyrt metall som rutenium i ruteniumdioksidform. Vi vet at de fungerer ekstremt bra. De er bare altfor dyre å tenke på å bruke til å dekke veldig store områder som trengs for å utnytte sollys. Vi vet at naturen vet hvordan man gjør dette. Den bruker ikke metall. I enzymer som bugs bruker for å lage hydrogen bruker de jern, et billig metall som kommer ut av rust. De bruker nikkel, de samme tingene som vi brukte til å lage myntnikkelene våre. Så de bruker veldig billige ting, og vi må finne ut, som kjemikere, hvordan de billige metallene skal fungere like bra som de dyre for å virkelig ha en rimelig teknologi.

Hva er det viktigste du vil at folk skal vite i dag?

Det viktigste er å vite at hvis vi ønsker å komme til et rent energisystem, kan vi få en del av veien dit med eksisterende teknologi, med vind, med sol, med kjernefysisk. Men du kan ikke komme helt dit med bare å gjøre billigere det vi vet. De to største utfordringene er hvordan lagrer du enorme mengder strøm, og hvordan lager du rent drivstoff for de 40 prosentene transport som ikke kan elektrifiseres - skipene våre, flyene våre, våre tunge lastebiler? Og annet enn en begrenset mengde biodrivstoff, er det eneste tekniske spillet i byen som kan løse begge disse problemene som vi må løse som en planet for å gjøre en bærekraftig, miljøansvarlig sikker fremtid, å lage drivstoff fra solen. Og det er derfor vi jobber så hardt med det prosjektet.

Hør på 8-minutters og 90-sekunders EarthSky-intervjuer med Nate Lewis om kunstig fotosyntese, øverst på siden.