Ученые работают над имитацией природного фотосинтеза, чтобы использовать солнечный свет для производства высокоэнергетических соединений — солнечного топлива, которое заменит ископаемые углеводороды. При сжигании такое топливо будет производить ровно столько углекислого газа, сколько потребовалось для его создания, то есть останется углеродно-нейтральным.
Ученые нашли новый путь превращения солнечного света в топливо
Исследователи из Базельского университета (Швейцария) разработали уникальную молекулу, имитирующую растительный фотосинтез: под воздействием света она одновременно накапливает два положительных и два отрицательных заряда для преобразования солнечной энергии в углеродно-нейтральное топливо.
Изображение показывает глобальное распределение фотосинтеза, включая океанический фитопланктон и наземную растительность. Темно-красный и сине-зеленый цвета указывают на регионы с высокой фотосинтетической активностью в океане и на суше. Википедия
Растения миллионы лет совершенствовали процесс преобразования солнечного света в энергию, создавая из углекислого газа богатые энергией молекулы сахара. Фотосинтез стал основой практически всей жизни на Земле: животные и люди «сжигают» углеводы, используя накопленную в них энергию и выделяют углекислый газ, замыкая природный цикл. Именно эта модель может стать ключом к экологически чистому топливу.
В журнале Nature Chemistry профессор Оливер Венгер и его аспирант Матис Брендлин сообщили о важном промежуточном шаге к достижению этой цели: они разработали особую молекулу, способную одновременно накапливать четыре заряда под световым воздействием — два положительных и два отрицательных. Промежуточное накопление множественных зарядов является важнейшим условием преобразования солнечного света в химическую энергию: заряды можно использовать для запуска реакций, например, для расщепления воды на водород и кислород.
Молекула фотосинтеза
Как и при естественном фотосинтезе, новая молекула временно сохраняет два положительных и два отрицательных заряда.
Молекула состоит из пяти частей, соединенных в цепочку, каждая из которых выполняет определенную задачу. С одной стороны молекулы находятся два компонента, которые отдают электроны и при этом заряжаются положительно. С другой стороны располагаются два элемента, принимающие электроны и получившие отрицательный заряд. В центре химики поместили компонент, который улавливает солнечный свет и запускает реакцию переноса электронов.
Для генерации четырех зарядов исследователи использовали поэтапный подход с двумя световыми вспышками. Первая вспышка попадает на молекулу и запускает реакцию, в которой образуется положительный и отрицательный заряд. Эти заряды движутся к противоположным концам молекулы. При второй вспышке происходит та же реакция, так что молекула содержит уже два положительных и два отрицательных заряда.
Схема работы искусственного фотосинтеза.
Принципиально новым достижением стала возможность работы в условиях тусклого света. «Это поэтапное возбуждение позволяет использовать значительно более тусклый свет», — объясняет Брендлин. В результате исследователи уже приближаются к интенсивности естественного солнечного света. Более ранние исследования требовали чрезвычайно сильного лазерного излучения, что было далеко от концепции искусственного фотосинтеза. Кроме того, заряды в молекуле остаются стабильными достаточно долго, чтобы их можно было использовать для дальнейших химических реакций.
Тем не менее новая молекула еще не создала функционирующую систему искусственного фотосинтеза. «Но мы определили и реализовали важную часть головоломки», — говорит Оливер Венгер.