Wytwarzanie zrównoważonych paliw przy użyciu warstw mydlanych i światła słonecznego
Energia słoneczna jest prawdopodobnie najbardziej obiecującą alternatywą dla szkodliwych paliw kopalnych, jednak problemem wciąż pozostaje niska efektywność jej magazynowania. Najlepszym sposobem na przechowywanie energii są tak zwane paliwa słoneczne. Sztuczna fotosynteza jest syntetyczną imitacją procesów fotosyntezy zachodzących w roślinach, dzięki której można wytwarzać paliwa słoneczne, wykorzystując do tego celu światło słoneczne, wodę i dwutlenek węgla. Naukowcy na całym świecie poszukują nowych materiałów do przeprowadzania sztucznej fotosyntezy w sposób bardziej wydajny i na większą skalę. W ramach finansowanego przez Unię Europejską projektu SoFiA naukowcy opracowali innowacyjne podejście wykorzystujące warstwy mydlane. Specjalnie zaprojektowane bańki są wypełnione dwutlenkiem węgla, który wystawiony na działanie światła słonecznego wytwarza paliwa słoneczne i surowce na potrzeby przemysłu chemicznego. Autorem koncepcji tego projektu i reaktora jest Indraneel Sen, kierownik projektu SoFiA i założyciel firmy Wasabi Innovations. W ciągu 54 miesięcy wytężonej pracy zespół przetestował koncepcje, opracował podstawy naukowe oraz stworzył inżynieryjne instalacje demonstracyjne i symulacje modelowania – wszystko to w ramach intensywnego procesu uczenia się opartego na współpracy dziewięciu organizacji partnerskich. „Projekt był bardzo udany zarówno pod względem wyników naukowych, jak i inżynieryjnych”, mówi Leif Hammarström, profesor na Wydziale Chemii Uniwersytetu w Uppsali w Szwecji i koordynator projektu SoFiA.
Naśladowanie struktur roślinnych
Proces fotosyntezy w roślinach i stworzone przez człowieka ogniwa słoneczne działają na podobnej zasadzie – pochłaniają światło słoneczne i wykorzystują jego energię do oddzielania elektronów (ładunków dodatnich) i „dziur” (ładunków ujemnych z powodu brakujących elektronów). W procesie fotosyntezy elektrony są przenoszone z jednej cząsteczki do drugiej, w wyniku czego powstaje wysokoenergetyczny stan naładowania. W reakcji łańcuchowej energia elektronów jest wykorzystywana do tworzenia bogatych w energię związków z dwutlenku węgla. Nowe elektrony są wprowadzane do układu, gdy woda zostaje utleniona do tlenu. „W roślinach powstają związki takie jak cukry, ale w sztucznej fotosyntezie dążymy do uzyskania płynnego paliwa, takiego jak alkohol lub gaz syntezowy do zastosowania w przemyśle”, wyjaśnia Hammarström. Głównym wyzwaniem w sztucznej fotosyntezie jest uniknięcie „rekombinacji” ładunku ze stanu naładowania o wysokiej energii, podobnie jak to ma miejsce w przypadku zwarcia w akumulatorze. W przypadku roślin zielonych zjawisku temu zapobiega specjalna błona, która utrzymuje „elektrony” i „dziury” oddzielnie. „Nasz pomysł polegał na tym, by warstwa mydlana działała w analogiczny sposób”, dodaje Hammarström. Wykorzystane zostały pary baniek, w których jedna zawiera cząsteczki wytwarzające paliwo, a druga – cząsteczki, które pobierają nowe elektrony z wody. Warstwa na styku między połączonymi parami baniek pełni rolę membrany do separacji gazu, która umożliwia przepływ elektronów i protonów.
Postęp w naukach podstawowych
W ramach projektu zespół opracował kilka rozwiązań inżynieryjnych w celu zbadania podstawowej struktury i funkcji powierzchni granicznych powietrze–woda i warstw mydlanych. Ponadto naukowcy zademonstrowali działanie dobrze zorganizowanych, samoregenerujących się strumieni par baniek mydlanych. „Mogliśmy wykazać, że możliwe jest wytworzenie i utrzymanie asymetrycznej warstwy mydlanej przez co najmniej 10 minut, co wystarcza na jeden przepływ w obie strony w naszym urządzeniu”, mówi Hammarström. „Wyprodukowaliśmy również i przetestowaliśmy dość wyrafinowane urządzenie, które generuje ciągły przepływ par baniek mydlanych, płynących obok siebie w formie strumienia”. Chociaż zespół nie zaprezentował jeszcze pełnego procesu sztucznej fotosyntezy w swoich urządzeniach, analiza wykonana w ramach projektu pozwoliła naukowcom zrozumieć, jakie kroki powinni podjąć, aby ostatecznie przekształcić swoją koncepcję w technologię o praktycznym zastosowaniu. Obecnie zespół poszukuje funduszy, aby rozwiązać niektóre z fundamentalnych problemów, jakie pojawiły się w trakcie projektu.
Słowa kluczowe
SoFiA, sztuczna, fotosynteza, bańka, energia, słoneczna, magazynować
