Τι είναι η τεχνητή φωτοσύνθεση;

Τα φυτά παίρνουν την ενέργειά τους με τρόπο που είναι πολύ διαφορετικός από τον τρόπο με τον οποίο οι άνθρωποι αποκτούν ενέργεια.Όταν ένας άνθρωπος χρειάζεται ενέργεια, τρώει φαγητό.Όταν ένα εργοστάσιο χρειάζεται ενέργεια, χρησιμοποιεί τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης για να πάρει το διοξείδιο του άνθρακα από το περιβάλλον και να χρησιμοποιήσει το ηλιακό φως για να το μετατρέψει σε σάκχαρα, που είναι ο τύπος ενέργειας που χρειάζεται για να διατηρήσει τη ζωή.Οι επιστήμονες εργάζονται για να αναπαράγουν τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης, προσπαθώντας να αξιοποιήσουν την ενέργεια του ήλιου με νέο, αποτελεσματικό και οικολογικά φιλικό τρόπο και η τεχνητή έρευνα φωτοσύνθεσης έχει αποφέρει ενδιαφέροντα αποτελέσματα.

Η ικανότητα παραγωγής τεχνητής φωτοσύνθεσης ανακοινώθηκε για πρώτη φορά το 2000, αν και η έρευνα ήταν στα στάδια του σχεδιασμού πριν από τότε.Οι ερευνητές βασίστηκαν στο φαινόμενο Honda-Fujishima, το οποίο ανακαλύφθηκε το 1953 και χρησιμοποιεί το διοξείδιο του τιτανίου ως φωτοκαταλύτη.Ένας φωτοκαταλύτης επιταχύνει τις διαδικασίες που σχετίζονται με το φως και, στην περίπτωση αυτή, την ενέργεια.Αυτό παρήγαγε δύο διαφορετικά αποτελέσματα: φωτοηλεκτροχημικά κύτταρα και ηλιακά κύτταρα ευαισθητοποιημένα με βαφές.Κάθε κύτταρο λειτουργεί σε διαφορετικές αρχές, αλλά προσπαθεί να αποκτήσει το ίδιο αποτέλεσμα: τεχνητή φωτοσυνθετική ενέργεια που μπορεί να αξιοποιηθεί και να αποθηκευτεί για μεταγενέστερη χρήση, γεγονός που θα μειώσει την εξάρτηση του κόσμου από μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας.Το ηλεκτρικό ρεύμα του νερού για τη δημιουργία υδρογόνου και οξυγόνου σε μια διαδικασία που ονομάζεται ηλεκτρόλυση.Η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί στη συνέχεια να αποθηκευτεί στο υδρογόνο, το οποίο είναι ένας "φορέας ενέργειας", και η ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί αργότερα, όπως στις μπαταρίες.Υπάρχουν δύο τύποι PECs, ένας που χρησιμοποιεί επιφάνειες ημιαγωγών για να απορροφήσει την ηλιακή ενέργεια και να βοηθήσει να χωρίσουν τα μόρια νερού για χρήση ενέργειας.Η άλλη ποικιλία χρησιμοποιεί διαλυμένα μέταλλα για να αντλήσει την ηλιακή ενέργεια και να ξεκινήσει τη διαδικασία της τεχνητής φωτοσύνθεσης.Οι πιο συνηθισμένοι μεταλλικοί καταλύτες για αυτόν τον τύπο αντίδρασης είναι το κοβάλτιο και το ρόδιο.Οι ερευνητές από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης (MIT) βρήκαν αυτά τα μέταλλα να είναι τα πιο αποτελεσματικά για αυτό το είδος εργασίας.

Ο άλλος τύπος κυττάρου που ερευνάται, το ηλιακό κύτταρο που είναι ευαισθητοποιημένο με χρωστικές, μερικές φορές ονομάζεται κύτταρο Gratzel ή κύτταρο Graetzel.Όπως και τα PECs, τα ευαίσθητα σε χρωστικά κύτταρα τεχνητής φωτοσύνθεσης χρησιμοποιούν ένα ημιαγωγό για τη συλλογή ενέργειας, συνήθως πυρίτιο.Σε κύτταρα ευαισθητοποιημένα με βαφές, ο ημιαγωγός χρησιμοποιείται για τη μεταφορά της συλλεγμένης ενέργειας και τα φωτοηλεκτρονικά ή τα σωματίδια ενέργειας διαχωρίζονται και αξιοποιούνται χρησιμοποιώντας ειδικές βαφές.Τα κύτταρα Gratzel θεωρούνται ότι είναι η πιο αποτελεσματική μορφή τεχνητής φωτοσύνθεσης που είναι επί του παρόντος, καθώς και το πιο οικονομικό αποδοτικό για την κατασκευή.Τα μειονεκτήματα οφείλονται κυρίως σε ανησυχίες θερμοκρασίας που σχετίζονται με τις υγρές βαφές, επειδή αυτές μπορούν να παγώσουν σε χαμηλότερες θερμοκρασίες και να σταματήσουν την παραγωγή ενέργειας και να επεκτείνουν σε υψηλότερες θερμοκρασίες και να σπάσουν.

Η έρευνα εξακολουθεί να εκτελείται στον τομέα της τεχνητής φωτοσύνθεσης, ειδικά στην επιδίωξη της εξεύρεσης καλύτερων καταλυτών και μηχανισμών μεταφοράς ενέργειας.Παρόλο που δεν είναι η πιο αποτελεσματική μορφή παραγωγής ενέργειας, υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον για αυτούς λόγω της υψηλής δυναμικής τους απόδοσης, του χαμηλού κόστους κατασκευής και των πιθανών επιπτώσεων για το περιβάλλον.Εάν η τεχνητή φωτοσύνθεση θα μπορούσε να γίνει προσβάσιμη και αξιόπιστη, η εξάρτηση του κόσμου από τα μη ανανεώσιμα ορυκτά καύσιμα θα μπορούσε να μειωθεί σημαντικά.