Naukowcy opracowali pływające “sztuczne liście”, które wytwarzają czyste paliwo ze światła słonecznego i wody i mogą ostatecznie działać na dużą skalę na morzu.
Naukowcy z Uniwersytetu Cambridge zaprojektowali ultracienkie, elastyczne urządzenia, które czerpią inspirację z fotosyntezy – procesu, w którym rośliny zamieniają światło słoneczne w żywność. Ponieważ tanie, autonomiczne urządzenia są wystarczająco lekkie, aby unosić się na wodzie, można je wykorzystać do stworzenia zrównoważonej alternatywy dla benzyny bez zajmowania miejsca na lądzie.
Testy na świeżym powietrzu lekkich liści na rzece Cam – w pobliżu kultowych miejsc w Cambridge, w tym Mostu Westchnień, Biblioteki Wren i kaplicy King’s College – wykazały, że mogą one przekształcać światło słoneczne w paliwo równie wydajnie, jak liście roślin.
To pierwszy przypadek, w którym czyste paliwo zostało wygenerowane na wodzie, a jeśli zostanie powiększony, sztuczne liście mogą być używane na zanieczyszczonych drogach wodnych, w portach, a nawet na morzu, i mogą pomóc zmniejszyć zależność światowego przemysłu żeglugowego od paliw kopalnych. Wyniki zostały opublikowane w czasopiśmie Nature.
Podczas gdy technologie energii odnawialnej, takie jak energia wiatrowa i słoneczna, stały się w ostatnich latach znacznie tańsze i bardziej dostępne, w przypadku takich branż jak żegluga, dekarbonizacja jest znacznie wyższym zadaniem. Około 80% światowego handlu jest transportowane przez statki towarowe zasilane paliwami kopalnymi, jednak sektorowi poświęcono wyjątkowo mało uwagi w dyskusjach na temat kryzysu klimatycznego.
Od kilku lat grupa badawcza profesora Erwina Reisnera w Cambridge pracuje nad rozwiązaniem tego problemu, opracowując zrównoważone rozwiązania dla benzyny, oparte na zasadach fotosyntezy. W 2019 roku opracowali sztuczny liść, dzięki któremu syngaz – kluczowy produkt pośredni w produkcji wielu chemikaliów i farmaceutyków – pochodzi ze światła słonecznego, dwutlenku węgla i wody.
Wcześniejszy prototyp generował paliwo, łącząc dwa pochłaniacze światła z odpowiednimi katalizatorami. Zawierał jednak grube podłoża szklane i powłoki chroniące przed wilgocią, co powodowało, że urządzenie było nieporęczne.
„Sztuczne liście mogą znacznie obniżyć koszty zrównoważonej produkcji paliwa, ale ponieważ są zarówno ciężkie, jak i kruche, trudno je produkować na dużą skalę i transportować” – powiedział dr Virgil Andrei z Wydziału Chemii im. Yusufa Hamieda w Cambridge, współpracownika gazety. -główny autor.
„Chcieliśmy zobaczyć, jak bardzo możemy ograniczyć materiały używane przez te urządzenia, nie wpływając jednocześnie na ich wydajność” – powiedział Reisner, który kierował badaniami. „Jeśli uda nam się przyciąć materiały wystarczająco daleko, aby były wystarczająco lekkie, aby unosić się na wodzie, otwiera to zupełnie nowe możliwości wykorzystania tych sztucznych liści”.
W przypadku nowej wersji sztucznego liścia naukowcy zainspirowali się przemysłem elektronicznym, w którym techniki miniaturyzacji doprowadziły do powstania smartfonów i elastycznych wyświetlaczy, rewolucjonizując tę dziedzinę.
Wyzwanie dla naukowców z Cambridge polegało na osadzeniu absorberów światła na lekkich podłożach i ochronie ich przed przenikaniem wody. Aby sprostać tym wyzwaniom, zespół naukowców z cienkowarstwowymi tlenkami metali i materiałami znanymi jako perowskity można pokryć elastycznymi foliami plastikowymi i metalowymi. Urządzenia zostały pokryte mikrometrowymi, wodoodpornymi warstwami węgla, które zapobiegały degradacji wilgoci. Skończyło się na urządzeniu, które nie tylko działa, ale też wygląda jak prawdziwy liść.
„Badanie to pokazuje, że sztuczne liście są kompatybilne z nowoczesnymi technikami produkcji, co stanowi wczesny krok w kierunku automatyzacji i zwiększenia skali produkcji paliwa słonecznego” – powiedział Andrei. „Liście te łączą zalety większości technologii wykorzystujących energię słoneczną, ponieważ osiągają niską wagę zawiesin proszkowych i wysoką wydajność systemów przewodowych”.
Testy nowych sztucznych liści wykazały, że mogą one rozdzielać wodę na wodór i tlen lub redukować CO2 do gazu syntezowego. Chociaż konieczne będzie wprowadzenie dodatkowych ulepszeń, zanim będą one gotowe do zastosowań komercyjnych, naukowcy twierdzą, że rozwój ten otwiera zupełnie nowe możliwości w ich pracy.
„Farm słonecznych stał się popularny do produkcji energii elektrycznej; wyobrażamy sobie podobne farmy do syntezy paliw” – powiedział Andrei. „Mogą one zasilać osady przybrzeżne, odległe wyspy, pokrywać stawy przemysłowe lub zapobiegać parowaniu wody z kanałów irygacyjnych”.
„Wiele technologii energii odnawialnej, w tym technologii paliw słonecznych, może zajmować duże ilości miejsca na lądzie, więc przeniesienie produkcji na otwarte wody oznaczałoby, że czysta energia i użytkowanie gruntów nie konkurują ze sobą” – powiedział Reisner. „Teoretycznie można by te urządzenia zwinąć i umieścić je prawie wszędzie, w niemal każdym kraju, co również pomogłoby w bezpieczeństwie energetycznym”.
Badania były częściowo wspierane przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych, Cambridge Trust, Winton Program for the Physics of Sustainability, Królewską Akademię Inżynierii oraz Radę Badań nad Inżynierią i Naukami Fizycznymi (EPSRC), część brytyjskich badań i innowacji ( UKRI). Virgil Andrei i Erwin Reisner są członkami St John’s College w Cambridge.