Ginagamit ng mga Siyentista ang Artipisyal na Potosintesis para Gawing Panggatong ang Carbon Dioxide sa Tulong ng Sikat ng Araw

Paggaya sa Kalikasan para Mapagana ang Kinabukasan

Nakamit ng mga mananaliksik na Tsino ang malaking pag-unlad sa teknolohiya ng malinis na enerhiya sa pamamagitan ng pagbuo ng sistemang ginagawang mahahalagang sangkap sa paggawa ng kemikal ang carbon dioxide at tubig gamit lamang ang sikat ng araw. Inilathala ang tuklas sa peer-reviewed na journal na Nature Communications. Hango ito sa potosintesis, ang likas na prosesong ginagamit ng mga halaman upang lumikha ng enerhiya mula sa sikat ng araw, tubig, at carbon sa atmospera.

Binuo ng pangkat ng pananaliksik, na kinabibilangan ng mga siyentista mula sa Chinese Academy of Sciences at Hong Kong University of Science and Technology, ang isang espesyalisadong materyal na kayang mag-imbak ng kaunting enerhiyang elektrikal. Mahalaga ang kakayahang mag-imbak ng enerhiya upang mapagana ang mga reaksiyong kemikal na kailangan para gawing kapaki-pakinabang na mga compound ang carbon dioxide nang hindi umaasa sa mga fossil fuel.

Kapag ipinares sa mga katalisador na nagpapadali sa pagbabago ng carbon dioxide, napapagana ng sistema ang produksiyon ng carbon monoxide gamit ang enerhiyang mula sa araw. Maaari pang iproseso ang kemikal na ito upang maging likidong hydrocarbon fuel, na maaaring magbigay ng paraan para mapagana ang mga sektor na nananatiling mahirap gawing elektrikal, kabilang ang abyasyon at pagpapadala.

Paano Gumagana ang Artipisyal na Potosintesis

Matagal nang layunin ng pananaliksik sa malinis na enerhiya ang prosesong ginagawang panggatong ang carbon dioxide gamit ang sikat ng araw, na kilala bilang photocatalysis o artipisyal na potosintesis. Nagbibigay-daan ang likas na potosintesis sa mga halaman na mag-imbak ng enerhiyang mula sa araw sa mga bigkis kemikal at lumikha ng mga asukal mula sa carbon dioxide at tubig. Sinikap ng mga siyentista na gayahin ang prosesong ito sa mga laboratoryo upang makalikha ng mga napapanatiling alternatibong panggatong na maaaring pumalit sa mga produktong petrolyo.

Tinutukan ng pangkat na Tsino ang isang malaking hamon sa artipisyal na potosintesis: ang pangangailangang pag-ugnayin nang sabay-sabay ang maraming masalimuot na reaksiyong kemikal. Gumagamit ang mga likas na sistema ng sopistikadong biyolohikal na mekanismo para pansamantalang mag-imbak ng mga electron na nalilikha ng liwanag, kaya nagiging episyente ang paglilipat ng enerhiya sa iba’t ibang yugto ng reaksiyon. Ginaya ng mga mananaliksik ang estratehiyang ito sa pamamagitan ng pagdisenyo ng materyal na tungsten trioxide na binago gamit ang pilak at nagsisilbing imbakan ng karga.

Inilarawan ng pangkat ng pananaliksik sa inilathala nilang papel ang kanilang pambihirang estratehiya.

Nagtatatag ang gawaing ito ng estratehiya ng imbakan ng karga na hango sa biyolohiya para sa episyenteng photoreduction ng carbon dioxide, na nagbibigay ng pangkalahatang pamamaraan para sa produksiyon ng solar fuel.

Nag-iimbak ang materyal na ito ng mga electron kapag nasisikatan ng liwanag at inilalabas ang mga ito kapag kailangan upang mapagana ang mga reaksiyong kemikal. Maikukumpara ang pagganap ng sistema sa mga pamamaraang gumagamit ng mga organikong sacrificial agent, na kadalasang hindi napapanatili, ngunit maaari itong gamitin sa iba’t ibang uri ng katalisador. Sa ilalim ng likas na sikat ng araw, matagumpay na napasimulan ng materyal ang mga reaksiyong pagbabago, na nagpapakitang maaari itong gamitin sa praktikal na aplikasyon ng solar fuel nang hindi nangangailangan ng artipisyal na ilaw o panlabas na pinagmumulan ng kuryente.

Tumitindi ang Pandaigdigang Kompetisyon

Dumating ang tuklas ng mga Tsino habang tumitindi ang pandaigdigang kompetisyon sa pagbuo ng mga praktikal na teknolohiya ng solar fuel. Nagsasagawa ang mga mananaliksik sa buong mundo ng magkakahanay na pagsisikap na gawing mapapakinabangang tagapagdala ng enerhiya ang carbon dioxide sa atmospera, gamit ang magkakaibang teknikal na estratehiya at nilalayong aplikasyon. Ipinahihiwatig ng magkakasabay na pagsulong na ito na papalapit na sa komersiyal na paggamit ang teknolohiya matapos ang ilang dekadang pananaliksik sa mga laboratoryo.

Sa Switzerland, bumuo ang mga siyentista sa ETH Zurich na pinamumunuan ni Propesor Aldo Steinfeld ng pasilidad industriyal na kumukuha ng carbon dioxide at tubig nang direkta mula sa hangin. Gamit ang pinalakas na enerhiyang solar, pinaghihiwalay ng pasilidad ang mga compound na ito upang makalikha ng syngas, halo ng hydrogen at carbon monoxide, na susunod na pinoproseso para maging kerosene at methanol. Kapag sinusunog, carbon dioxide lamang na katumbas ng naabsorb habang ginagawa ito ang inilalabas ng solar kerosene, kaya nakakamit nito ang carbon neutrality. Sapat na ang pagsulong ng teknolohiya para maipatupad ito sa komersiyal na antas. Nakuha na ang pondo para sa pasilidad sa produksiyong industriyal sa Germany, na inaasahang magpapakita ng kakayahang kumita ng proseso.

Nalagpasan din ng mga mananaliksik na Hapones ang mga naunang rekord sa episyensiya gamit ang ibang pamamaraan. Bumuo ang mga siyentista mula sa Institute of Science Tokyo at Hiroshima University ng bagong lead-based oxyhalide photocatalyst na nagpapataas nang hanggang 60 ulit sa aktibidad ng produksiyon ng hydrogen kumpara sa mga karaniwang pamamaraan. Nakakamit ng materyal nila ang rekord na quantum yield na humigit-kumulang 15 porsiyento para sa produksiyon ng hydrogen at 10 porsiyento para sa pag-convert ng carbon dioxide tungo sa formic acid, isang likidong panggatong. Ipinaliwanag ni Propesor Kazuhiko Maeda, na kapwa namuno sa pananaliksik, ang kahalagahan ng mga pagpapahusay sa estruktura.

Binibigyang-diin ng pag-aaral na ito ang kahalagahan ng pagkontrol sa morpolohiya ng mga oxyhalide upang lubos na mapakinabangan ang mga ito bilang photocatalyst.

Samantala, bumuo ang mga mananaliksik sa Cambridge University ng solar-powered flow reactor na kumukuha ng carbon dioxide nang direkta mula sa atmospera gamit ang mga espesyalisadong filter. Sumisipsip ng carbon dioxide ang aparato sa gabi at ginagawa itong syngas kapag nasisikatan ng araw. Gumagana ito nang walang panlabas na pinagmumulan ng kuryente, kable, o baterya. Pinagtutuunan ng salamin ang sikat ng araw upang mapagana ang reaksiyong kemikal, na nag-aalok ng desentralisadong pamamaraan na maaaring magpaandar ng produksiyon ng panggatong sa malalayong lugar na walang koneksiyon sa mga de-koryenteng grid.

Nakibahagi rin ang mga siyentistang Indian sa pandaigdigang pagsisikap na ito. Bumuo si Propesor Indrajit Shown ng Hindustan Institute of Technology and Science sa Chennai ng materyal na nakabatay sa zinc at sulfur na kumukuha ng sikat ng araw upang gawing acetaldehyde, isang sangkap ng panggatong, ang carbon dioxide. Tinatayang 200 ulit na mas episyente ang sistema kaysa sa mga naunang pamamaraan at gumagamit ito ng karaniwang sikat ng araw sa halip na espesyalisadong kagamitan sa pag-iilaw. Binigyang-diin ni Propesor Shown ang mga praktikal na layunin ng pananaliksik.

Layunin ng pananaliksik na ito na humanap ng mga konkretong paraan para makatulong sa planeta, hindi lamang magsulong ng agham.

Ipinahihiwatig ng pandaigdigang katangian ng mga pagsulong na ito na nagiging ganap na ang teknolohiya ng solar fuel sa pamamagitan ng maraming magkakahiwalay na pamamaraan, kaya tumataas ang posibilidad na magtagumpay sa komersiyal na antas ang kahit isa sa mga ito.

Pagtutuon sa Abyasyon at Pagpapadala

Hindi lamang sa karaniwang transportasyon maaaring gamitin ang mga teknolohiyang ito. May potensiyal din ang mga ito sa mga sektor na partikular na mahirap gawing elektrikal. Lubos na umaasa sa mga likidong hydrocarbon fuel ang abyasyon, pagpapadala, at mabibigat na industriya dahil sa mataas na densidad ng enerhiya ng mga ito at pagiging tugma sa kasalukuyang imprastraktura. Malaking bahagi ng pandaigdigang emisyon ng carbon dioxide ang nagmumula sa mga sektor na ito, ngunit mahirap silang ilipat sa mga de-bateryang de-koryenteng teknolohiya o hydrogen fuel cell.

Lalo nang malaki ang mga hamon sa pagbabawas ng emisyon sa abyasyon. Nangangailangan ang mga sasakyang panghimpapawid ng mga panggatong na may napakataas na densidad ng enerhiya upang mapanatili ang katanggap-tanggap na bigat at abot ng biyahe. Hindi kayang mag-imbak ng sapat na enerhiya ng kasalukuyang teknolohiya ng baterya para sa mga malayuang lipad nang hindi nagdaragdag ng napakabigat na kargang magpapahirap sa komersiyal na operasyon. Tinatayang 3 porsiyento ng pandaigdigang emisyon ng carbon dioxide na gawa ng tao ang nagmumula sa industriya ng abyasyon. Inaasahang tataas ang bilang na ito habang lumalaki ang bilang ng mga pasahero at papalapit sa 7.5 bilyon kada taon pagsapit ng 2035.

Nag-aalok ng kaakit-akit na solusyon ang mga panggatong na mula sa araw dahil maaari silang direktang pumalit sa mga karaniwang fossil fuel. Maaaring magpaandar ng kasalukuyang makina ng sasakyang panghimpapawid ang kerosene na ginawa mula sa carbon dioxide at sikat ng araw nang hindi ito binabago, samantalang maaaring gamitin ang methanol bilang panggatong sa sasakyang pandagat o hilaw na materyal sa paggawa ng mga gamot. Dahil carbon dioxide lamang na nakuha habang ginagawa ang mga ito ang inilalabas ng mga panggatong na ito, lumilikha ang mga ito ng saradong siklo ng carbon na umiiwas sa pagdagdag ng mga bagong greenhouse gas sa atmospera habang ginagamit ang kasalukuyang imprastraktura sa pamamahagi ng panggatong.

Itinukoy ng International Air Transport Association na mahalaga ang napapanatiling panggatong sa abyasyon upang makamit ang net-zero na emisyon ng carbon dioxide pagsapit ng 2050. Tinataya ng International Energy Agency na maaaring matugunan ng mga panggatong na ito ang 10 porsiyento ng pangangailangan sa panggatong ng abyasyon pagsapit ng 2030 at halos 20 porsiyento pagsapit ng 2040. Gayunman, wala pa sa 0.1 porsiyento ng kabuuang konsumo ang kasalukuyang paggamit ng napapanatiling panggatong, na nagpapakita ng lawak ng kinakailangang pagpapalawak kahit napapatunayan na ang mga teknolohiya sa mga laboratoryo at pilotong pasilidad.

Mga Hadlang sa Komersiyal na Paggamit

Sa kabila ng kahanga-hangang pagsulong sa agham, malalaking balakid pa rin ang pumipigil sa malawakang paggamit ng mga teknolohiya ng solar fuel. Nanatiling pangunahing hadlang ang gastos sa pagiging praktikal nito sa komersiyal na antas. Tinataya ng mga mananaliksik sa Switzerland na nagkakahalaga ang solar kerosene na ginagawa nang maramihan ng $1.35 hanggang $2.20 kada litro. Bagaman nagpapakita ito ng pag-usad tungo sa kakayahang makipagkumpitensya sa karaniwang jet fuel, nagpapahirap sa pagpapatupad ang malaking paunang puhunan para sa mga pasilidad na pang-industriya at nagdudulot ito ng panganib sa mga unang mamumuhunan.

Nililimitahan din ng mga heograpikong salik ang potensiyal ng produksiyon. Nangangailangan ng saganang sikat ng araw ang paggawa ng solar fuel, kaya pinakamainam ang mga rehiyong disyerto para sa mga pasilidad. Gayunman, kailangan ng malaking pamumuhunan sa imprastraktura at maingat na koordinasyon sa logistik upang maihatid ang mga nagawang panggatong mula sa malalayong disyerto patungo sa malalaking sentro ng transportasyon. Di-gaya ng mga biofuel na madalas makipagkumpitensya sa produksiyon ng pagkain para sa lupang sakahan, maaaring gawin ang mga solar fuel sa mga disyertong hindi angkop sa pagsasaka. Sa gayon, mapananatili para sa mga pananim at alagang hayop ang mahahalagang lupang sakahan habang napakikinabangan ang mga rehiyong sagana sa sikat ng araw.

Nananatili ang mga teknikal na hamon sa pagpapahusay ng episyensiya ng conversion at tibay ng mga sistema. Bagaman malaking pag-unlad ang mga kamakailang tuklas kumpara sa mga naunang teknolohiya, maliit na bahagi lamang ng enerhiyang solar na magagamit ang nagagawa pa ring gawing mga bigkis kemikal ng kasalukuyang mga sistema. Bilang paghahambing, humigit-kumulang 1 porsiyento ang episyensiya ng likas na potosintesis, samantalang umabot na sa 13 hanggang 15 porsiyento ang mga kamakailang tagumpay sa laboratoryo para sa mga partikular na yugto ng reaksiyon, ayon sa pananaliksik na inilathala sa Science. Kailangang patuloy na magtuon ang pananaliksik sa pagbuo ng mas episyenteng mga katalisador, pagpapahusay ng mga mekanismo ng paghihiwalay ng karga, at paglikha ng mga sistemang maaasahang gumagana sa tunay na mga kondisyon, hindi lamang sa mga kontroladong laboratoryong may pare-parehong temperatura at halumigmig.

Mahalaga ang suporta ng mga patakaran upang mapunan ang agwat sa pagitan ng tagumpay sa laboratoryo at komersiyal na paggamit. Iminumungkahi ng mga mananaliksik ang pagpapatupad ng mga sistema ng quota na mag-aatas sa mga kompanya ng eroplano na kumuha ng takdang bahagi ng panggatong mula sa mga napapanatiling mapagkukunan. Makalilikha ito ng garantisadong pangangailangan na magbibigay-katwiran sa pamumuhunan sa imprastraktura. Maaaring mapabilis ng ganitong mga balangkas ng regulasyon ang pagpapalawak at magpababa ng gastos sa pamamagitan ng pagdami ng produksiyon, gaya ng matagumpay na nangyari sa mga solar photovoltaic panel at wind turbine sa nakalipas na dalawang dekada.

Mahahalagang Punto

• Bumuo ang mga siyentistang Tsino ng sistemang hango sa mga halaman na gumagamit ng tungsten trioxide na binago gamit ang pilak upang gawing paunang sangkap ng panggatong ang carbon dioxide at tubig sa tulong ng sikat ng araw. Inilathala ang pananaliksik sa Nature Communications.
• Gumagamit ang teknolohiya ng estratehiya ng imbakan ng karga na nag-iimbak ng enerhiyang elektrikal upang mapagana ang mga reaksiyong kemikal, kaya hindi na kailangan ang mga hindi napapanatiling sacrificial agent.
• Nagsasagawa rin ng magkakahanay na pananaliksik sa Switzerland, Japan, United Kingdom, at India hinggil sa mga teknolohiya ng solar fuel, gamit ang magkakaibang pamamaraan at antas ng episyensiya.
• Nangangako ang mga solar fuel ng malaking tulong sa pagbabawas ng emisyon sa abyasyon at pagpapadala, mga sektor na mahirap gawing elektrikal dahil sa pangangailangan ng mataas na densidad ng enerhiya.
• Mula $1.35 hanggang $2.20 kada litro ang kasalukuyang tantiya sa halaga ng solar kerosene, at kailangan ng malaking pamumuhunan sa imprastraktura upang makagawa nito nang maramihan.
• Tinataya ng International Energy Agency na maaaring matugunan ng napapanatiling panggatong sa abyasyon ang 10% ng pangangailangan pagsapit ng 2030 at 20% pagsapit ng 2040 kung malalampasan ang mga hamon sa pagpapalawak ng produksiyon.