Cara Kerja Fotosintesis Buatan (Artificial Photosynthesis)

Pengenalan

Jika sumber energi paling cerdas adalah salah satu yang berlimpah, murah dan bersih, kemudian tanaman jauh lebih cerdas daripada manusia. Selama milyaran tahun, mereka mengembangkan mungkin yang paling efisien pasokan listrik di dunia: fotosintesis, atau konversi cahaya matahari, karbon dioksida dan air menjadi bahan bakar berguna, mengeluarkan oksigen yang berguna dalam proses.

Dalam kasus tanaman (serta alga dan beberapa bakteri), "digunakan bahan bakar" adalah karbohidrat, protein dan lemak. Manusia, di sisi lain, sedang mencari bahan bakar cair untuk mobil dan daya listrik untuk menjalankan kulkas. Tapi itu tidak berarti kita tidak dapat melihat ke fotosintesis untuk memecahkan kotor kami, mahal-, berkurangnya energi celaka. Selama bertahun-tahun, para ilmuwan telah mencoba untuk datang dengan cara untuk menggunakan sistem energi yang sama bahwa tanaman dilakukan kecuali dengan output akhir yang berubah.

Using nothing but sunlight as the energy input, plants perform massive energy conversions, turning 1,102 billion tons (1,000 billion metric tons) of CO2 into organic matter, i.e., energy for animals in the form of food, every year [source: Hunter]. And that's only using 3 percent of the sunlight that reaches Earth [source: Boyd].

The energy available in sunlight is an untapped resource we've only begun to really get a handle on. Current photovoltaic-cell technology, typically a semiconductor-based system, is expensive, not terribly efficient, and only does instant conversions from sunlight to electricity -- the energy output isn't stored for a rainy day (although that could be changing: See "Is there a way to get solar energy at night?"). But an artificial photosynthesis system or a photoelectrochemical cell that mimics what happens in plants could potentially create an endless, relatively inexpensive supply of all the clean "gas" and electricity we need to power our lives -- and in a storable form, too.

In this article, we'll look at artificial photosynthesis and see how far it's come. We'll find out what the system has to be able to do, check out some current methods of achieving artificial photosynthesis and see why it's not as easy to design as some other energy-conversion systems.


Pendekatan Fotosintesis buatan (Artificial Photosynthesis)


Untuk menciptakan kembali fotosintesis tanaman yang telah disempurnakan, sistem konversi energi harus mampu melakukan dua hal penting (mungkin dalam beberapa jenis nanotube yang berfungsi sebagai struktural "daun"): panen sinar matahari dan membelah molekul air.

Tanaman menyelesaikan tugas ini dengan menggunakan klorofil, yang menangkap sinar matahari, dan sekumpulan protein dan enzim yang menggunakan cahaya matahari untuk memecah molekul H2O menjadi hidrogen, elektron dan oksigen (proton). Elektron dan hidrogen kemudian digunakan untuk mengubah CO2 menjadi karbohidrat, dan oksigen dikeluarkan.

Untuk sistem buatan bekerja untuk kebutuhan manusia, keluaran harus berubah. Alih-alih hanya melepaskan oksigen pada akhir reaksi, itu akan melepaskan hidrogen cair (atau mungkin metanol) juga. Bahwa hidrogen dapat digunakan secara langsung sebagai bahan bakar cair atau disalurkan ke dalam sel bahan bakar. Mendapatkan proses untuk menghasilkan hidrogen bukanlah masalah, karena itu sudah ada di molekul air. Dan menangkap sinar matahari tidak menjadi masalah - saat ini sistem tenaga surya melakukannya.

Aplikasi Fotosintesis buatan

Bahan bakar fosil mencukupi, dan mereka berkontribusi terhadap pencemaran dan pemanasan global. Batubara, sementara berlimpah, sangat mencemari baik untuk tubuh manusia dan lingkungan. Turbin angin menyakiti pemandangan indah, jagung memerlukan tracts besar tanah pertanian dan saat ini teknologi sel surya itu mahal dan tidak efisien. Fotosintesis buatan bisa menawarkan yang baru, mungkin cara yang ideal energi kita keluar dari kesulitan.

Untuk satu hal, memiliki manfaat atas sel-sel fotovoltaik, ditemukan di masa kini panel surya. Konversi langsung sinar matahari menjadi listrik dalam sel fotovoltaik membuat tenaga surya dan cuaca-bergantung-waktu energi, yang berkurang manfaatnya dan meningkatkan harga. Fotosintesis buatan, di sisi lain, dapat menghasilkan bahan bakar storable.

Dan tidak seperti kebanyakan metode menghasilkan energi alternatif, fotosintesis buatan memiliki potensi untuk menghasilkan lebih dari satu jenis bahan bakar. Proses fotosintesis dapat men-tweak sehingga reaksi antara cahaya, CO2 dan H2O pada akhirnya menghasilkan hidrogen cair. Hidrogen cair dapat digunakan seperti bensin di mesin bertenaga hidrogen. Hal ini juga dapat disalurkan ke sel bahan bakar setup, yang secara efektif akan membalikkan proses fotosintesis, menciptakan listrik dengan menggabungkan hidrogen dan oksigen ke dalam air. Sel bahan bakar hidrogen dapat menghasilkan listrik seperti barang-barang yang kita dapatkan dari grid, jadi kita akan menggunakannya untuk menjalankan AC kita dan pemanas air.

Salah satu masalah saat ini dengan skala besar energi hidrogen adalah pertanyaan tentang cara efisien - dan rapi - menghasilkan hidrogen cair. Fotosintesis buatan mungkin solusi.

Metanol mungkin lain output. Alih-alih memancarkan murni hidrogen dalam proses fotosintesis, photoelectrochemical sel yang dapat menghasilkan bahan bakar metanol (CH3OH). Metanol, atau metil alkohol, biasanya berasal dari metana dalam gas alam, dan itu sering ditambahkan ke bensin komersial untuk membuatnya membakar lebih bersih. Beberapa mobil bahkan dapat berjalan di metanol sendirian.

Kemampuan untuk menghasilkan bahan bakar yang bersih tanpa menghasilkan apa pun dengan-produk yang berbahaya, seperti gas-gas rumah kaca, membuat fotosintesis buatan sumber energi yang ideal untuk lingkungan. Itu tidak membutuhkan pertambangan, tumbuh atau pengeboran. Dan karena baik air maupun karbon dioksida saat ini sedang dalam pasokan pendek, itu juga bisa menjadi sumber terbatas, berpotensi lebih murah daripada bentuk energi lain dalam jangka panjang. Pada kenyataannya, jenis ini reaksi photoelectrochemical bahkan dapat menghilangkan sejumlah besar berbahaya CO2 dari udara dalam proses memproduksi bahan bakar. Ini merupakan situasi menang-menang.