Šiame tinklaraščio įraše nagrinėsime, kaip dirbtinė fotosintezė panaudoja saulės energiją, kad vienu metu būtų išspręstos energijos išeikvojimo ir aplinkos taršos problemos, ir pateiksime išsamią naujausių tyrimų pateiktų techninių galimybių apžvalgą.
Ar iš tiesų gali sugyventi gausi energija ir švari aplinka? Energijos gamybos procese atsiranda įvairių formų aplinkos tarša. Deginant išteklius išsiskiriančios dujos sukelia oro taršą ir visuotinį atšilimą, o medžiagos, susidarančios perdirbant tam tikrus energijos šaltinius, pavyzdžiui, skalūnų dujas, sukelia sudėtingą aplinkos taršą, įskaitant vandens ir dirvožemio užterštumą. Be to, energijos išteklių išeikvojimas tapo rimta problema. Nors pasaulinė energijos paklausa kasmet didėja, pagrindiniai energijos šaltiniai, tokie kaip anglis, nafta ir gamtinės dujos, turi ribotas atsargas ir palaipsniui eikvojami. Siekdamas išspręsti šią energijos išeikvojimo problemą, pasaulis stengiasi išgauti naujus požeminius išteklius, tokius kaip minėtos skalūnų dujos; tačiau tampa aišku, kad ir tai negali būti esminis sprendimas dėl ribotų atsargų.
Siekdami vienu metu spręsti dvigubus ribotos energijos ir aplinkos taršos iššūkius, galime apsvarstyti galimybę panaudoti saulės energiją, kuri iš esmės yra begalinis mums prieinamas išteklius. Dirbtinė fotosintezė sulaukė dėmesio ne tik dėl savo gebėjimo gaminti naudingą energiją iš saulės energijos, bet ir dėl savo gebėjimo sintetinti įvairias didelės pridėtinės vertės medžiagas aplinkai nekenksmingu būdu. Be to, kaip ir natūrali fotosintezė, medžiagų ar energijos gamybos proceso metu ji absorbuoja anglies dioksidą, taip prisidėdama prie visuotinio atšilimo mažinimo. Tačiau dėl apribojimų, susijusių su efektyvumo ir ekonominio gyvybingumo kliūčių įveikimu, praktinis pritaikymas buvo sudėtingas, todėl dirbtinė fotosintezė kurį laiką turėjo likti eksperimentinėje stadijoje arba teorinių diskusijų lygmeniu. Nepaisant to, pastaruoju metu visame pasaulyje pasiekus nemažai reikšmingų mokslinių tyrimų laimėjimų, pamažu atsiveria kelias į komercializaciją. Prieš nagrinėdami dirbtinės fotosintezės kūrimo procesą, pirmiausia suprasime jos principus, o tada išnagrinėsime dabartinę technologijos būklę, remdamiesi dviem reprezentatyviais tyrimų atvejais.
Dirbtinė fotosintezė, kaip rodo pavadinimas, yra procesas, imituojantis natūralią fotosintezę, siekiant dirbtinai pagaminti medžiagas. Todėl norint suprasti dirbtinę fotosintezę, pirmiausia reikia suprasti natūralios fotosintezės principus. Natūrali fotosintezė yra procesas, kurio metu augalai ir tam tikri organizmai naudoja šviesos energiją gyvybei reikalingoms medžiagoms sintetinti; iš esmės, ji naudoja anglies dioksidą ir vandenį gliukozei ir deguoniui gaminti. Šis procesas susideda iš dviejų etapų: šviesos reakcijos ir tamsos reakcijos. Šviesos reakcija vyksta chloroplastų tilakoido membranoje ir yra padalinta į vandens fotolizę ir fotofosforilinimo reakciją. Vandens fotolizės metu vanduo skyla, kad susidarytų elektronai, vandenilio jonai ir deguonis, o fotofosforilinimo reakcijos metu daugiausia susidaro ATP ir NADPH2, kurie yra būtini tamsos reakcijai. Kadangi abi reakcijos priklauso nuo chlorofilo sugeriamos šviesos energijos, šviesos reakcija nevyksta nesant šviesos. Tamsos reakcija vyksta chloroplastų stromoje, kur šviesos reakcijos metu susidarę ATP ir NADPH2 naudojami gliukozei sintetinti iš anglies dioksido per Kalvino ciklą.
Dirbtinė fotosintezė taip pat vyksta panašiai kaip natūrali fotosintezė, o bendras procesas yra toks. Dirbtinės fotosintezės metu saulės elementai atlieka funkciją, atitinkančią natūralios fotosintezės šviesos priklausomą reakcijos etapą. Užuot gaminę elektrą, kaip numatyta, saulės elementai atlieka NADPH₂ sintezės iš NADP vaidmenį, kaip ir natūralios fotosintezės metu. Redokso fermentai naudojami natūralios fotosintezės tamsiosios reakcijos etape. Nors Kalvino cikle dalyvauja daugybė fermentų, dirbtinės fotosintezės metu šias sudėtingas fermentines reakcijas pakeičia redokso fermentai. Taigi dirbtinė fotosintezė įgyvendinama imituojant natūralios fotosintezės šviesos ir tamsos reakcijas, pasitelkiant žmogaus sukurtas technologijas; tačiau, skirtingai nei natūrali fotosintezė, ji neapsiriboja tik deguonies ir gliukozės gamyba, bet gali gaminti įvairius produktus pagal žmogaus poreikius. Pavyzdžiui, dirbtinė fotosintezė gali būti naudojama ne tik energijai kaupti žmonėms, bet ir selektyviai sintetinti didelės pridėtinės vertės chemines medžiagas, tokias kaip žaliavos diabetui ar AIDS gydyti.
Visos technologijos nuo pradinio kūrimo etapo iki komercializavimo nuolat gerina efektyvumą ir ekonominį gyvybingumą, ir dirbtinė fotosintezė nebuvo išimtis. Kaip minėta anksčiau, dirbtinė fotosintezė skirstoma į energijos kaupimo ir medžiagų gamybos metodus, priklausomai nuo galutinio produkto. Panagrinėkime kiekvieno metodo iššūkius ir naujausius tyrimų pasiekimus, atliktus jiems spręsti. Pirma, energijos kaupimo naudojant dirbtinę fotosintezę metode iškilo problemų dėl energijos konversijos efektyvumo. Kai vandenilis gaminamas dirbtinės fotosintezės būdu, jis turi būti saugomas ir transportuojamas tinkamos naudoti energijos pavidalu. Tačiau kadangi vandenilis yra itin lengvas ir nestabilus, reikėjo įrenginio, galinčio jį stabiliai ir efektyviai absorbuoti. Anksčiau buvo naudojamos bakterijos, kurios sugeria vandenilį ir kaupia jį kaip angliavandenilių pagrindu pagamintas medžiagas; tačiau šios sistemos galėjo kaupti tik apie 1 % įeinančios energijos, o tai gerokai atsiliko nuo maždaug 10 % efektyvumo, kuris laikomas komercializavimo etalonu. Tačiau 2016 m. birželį Harvardo universiteto tyrėjų komandai pavyko padidinti energijos konversijos efektyvumą iki maždaug 10 %, genetiškai modifikuojant bakterijas, siekiant padidinti jų vandenilio absorbcijos greitį ir sukurti naują katalizatorių, kuris leido šioms bakterijoms stabiliai išgyventi. Šis tyrimas buvo svarbus etapas siekiant komercializuoti dirbtinės fotosintezės pagrindu veikiančius energijos kaupimo metodus. Vėlesni tyrimai, atlikti iki 2020-ųjų pabaigos, parodė 12–15 % efektyvumą, pagrįstą šia technologija, o tai dar labiau parodo dirbtinės fotosintezės pagrindu veikiančių vandenilio gamybos ir kaupimo technologijų potencialą. Tačiau kadangi pramoniniam pritaikymui vis dar reikalingi papildomi patikrinimai ir techniniai patobulinimai, pavyzdžiui, ilgalaikis veikimo stabilumas, pritaikomumas didelio masto sistemoms ir atsparumas užterštumui, komercializavimas šiuo metu vyksta laipsniškai, bet stabiliai.
Toliau, kalbant apie didelės pridėtinės vertės medžiagų gamybos dirbtinės fotosintezės būdu metodus, pagrindiniais iššūkiais išryškėjo vandens skaidymo katalizatorių efektyvumas ir ekonomiškumas. Nors vandens skaidymo etapas yra būtinas norint iš vandens ir anglies dioksido gaminti didelės pridėtinės vertės chemines medžiagas, šiam procesui reikia daug energijos. Todėl katalizatoriai naudojami energijos suvartojimui sumažinti; tačiau norint užtikrinti komercinį gyvybingumą, vienu metu turi būti pasiekta ir maža kaina, ir didelis našumas. Tačiau pigūs katalizatoriai pasižymėjo prastu našumu, o didelio našumo katalizatoriai buvo pernelyg brangūs, nuolat kenkdami ekonominiam gyvybingumui. Dėl šios priežasties cheminių medžiagų gamybos naudojant dirbtinę fotosintezę metodas ilgą laiką apsiribojo teorinėmis galimybėmis. Tada, 2017 m. rugsėjį, buvo paskelbta, kad Korėjos mokslo ir technologijų instituto (KIST) tyrimų komanda sukūrė dirbtinį fotosintezės katalizatorių, kuris yra ir nebrangus, ir didelis našumas. Komanda, naudodama nerūdijančio plieno komponentus, susintetino katalizatorių, vadinamą nikelio oksihidroksidu. Jis ne tik gali būti masiškai gaminamas paprastu procesu, bet ir pasiekia 20–30 % didesnį efektyvumą, palyginti su esamais katalizatoriais, taip vienu metu išspręsdamas vandens skaidymo katalizatorių efektyvumo ir ekonomiškumo problemas. Nuo 2020-ųjų pabaigos dirbtinės fotosintezės tyrimai, įskaitant pigius metalų pagrindu pagamintus katalizatorius, fotoelektrochemines puslaidininkines medžiagas ir anglies išteklių panaudojimo technologijas, sparčiai plėtėsi visame pasaulyje, dar labiau padidindami komercializavimo potencialą.
Apibendrinant galima teigti, kad dirbtinės fotosintezės technologija, imituojanti natūralią fotosintezę, gaminanti energiją ir medžiagas žmonėms, artėja prie komercializavimo, nes pastaruoju metu atlikti aktyvūs tyrimai pagerino jos efektyvumą ir ekonominį gyvybingumą. Nors atsirado tam tikrų pasiekimų, kuriuos galima laikyti komerciškai perspektyviais bendro efektyvumo požiūriu, visame dirbtinės fotosintezės procese, be anksčiau minėto vandens skaidymo proceso, išlieka atskirų iššūkių, susijusių su masine gamyba ir sąnaudų mažinimu. Žinoma, dirbtinės fotosintezės energijos vartojimo efektyvumo padidinimas nuo maždaug 1 % iki 10 % neabejotinai yra didelė pažanga. Tačiau atsižvelgiant į tai, kad natūralios fotosintezės energijos konversijos efektyvumas viršija 40 %, dirbtinės fotosintezės efektyvumas ateityje greičiausiai dar labiau pagerės. Dirbtinė fotosintezė turi aiškų pranašumą – saulės energiją – beveik neribotą išteklių – paverčia forma, kurią žmonės gali panaudoti aplinkai nekenksmingu būdu. Jei ne tik pagerinsime energijos vartojimo efektyvumą, bet ir sukursime masinės gamybos sistemas bei sumažinsime sąnaudas, galėsime smarkiai pagerinti pasaulinę energijos išeikvojimo krizę ir aplinkos taršą, kurią sukelia energetikos plėtra, su kuria šiuo metu susiduria žmonija. Be to, kadangi dirbtinė fotosintezė leidžia ne tik gaminti energiją, bet ir selektyviai gaminti įvairias didelės pridėtinės vertės chemines medžiagas, tikimasi, kad ji taps pagrindine technologija, kuri dar labiau pagerins žmonių gyvenimo kokybę įvairiuose pramonės sektoriuose, įskaitant farmacijos produktų kūrimą.
