Süper bilgisayarlar yeni enerji biçimlerini doğurur, insanlar fosil yakıtlardan kurtulabilir ve sıfır karbon döngüsü gerçekleştirebilir.
İnsanlar, uygarlığı sürmek için uzun süredir fosil yakıtlara güveniyorlar. Bununla birlikte, fosil yakıt rezervlerinin azaldığı ve iklim ısınmasının arttığı günümüzde, bilim adamları her zaman yeni bir tür yakıt üretim teknolojisi geliştirmeyi ummuşlardır: güneş yakıtı.
Sözde güneş yakıtı aslında beyin benzeri "suyu petrole çevirme" fikridir: güneş enerjisi kullanılarak, "atık" geleneksel yakıt-su veya karbondioksit yakıldıktan sonra yeniden yakıta dönüştürülür. Fikir çok güzel olsa da, süreç çok zor ve karmaşık ve bilim adamları henüz uygun bir çözüm bulamadılar. Ancak, yakın zamanda yapılan bir çalışma bu durumu büyük olasılıkla değiştirecektir.
Uzun zamandır, güneş yakıtı üretmek için sadece 16 çeşit katalizörün kullanıldığı bilinmektedir. ABD Enerji Bakanlığı Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı (Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı) ve California Teknoloji Enstitüsü'nden araştırmacılar, yeni bir yöntem benimsemek için süper bilgisayarlar kullandılar ve iki yıl içinde 12 yeni katalizör keşfettiler ve güneş yakıtlarının araştırma sürecini büyük ölçüde ilerletti. .
6 Mart'ta, bu önemli araştırma sonucu Proceedings of the National Academy of Sciences'da (PNAS) yayınlandı.
Güneş ışığı altında, "fotoanot" adı verilen bir katalizör malzemesi, hidrojen ve oksijen (resimde kabarcıklar) üretmek için su moleküllerinde hidrojen ve oksijeni ayırır. Bu büyük araştırma atılımı, güneş yakıtlarının büyük ölçekli üretimini artırabilir.
İşte sorun şu: Güneş enerjisini doğrudan elektriğe dönüştürebilen çok verimli güneş hücrelerimiz zaten var. Bilim adamları neden hala güneş enerjisini yakıta dönüştürmek için teknoloji üzerinde çalışıyor? Cevap şu: Güneş pili ne kadar verimli olursa olsun, insan yakıtsız yapamaz.
British Watt'ın geliştirilmiş buhar motorunun 1776'daki ilk uğultusundan bu yana, insanlık artık yakıttan kurtulamıyor. Roketler, uzay aracı, araçlar, denizaltılar, endüstriyel üretim, yemek pişirme, yemek pişirme, insan yaşamının tüm yönleri yakıtla yakından ilgilidir. Jeolojik anlamda, iki yüz yıldan fazla bir süredir, dünyanın milyarlarca yıllık fosil rezervlerini yaktığımız, önce ısıya sonra da mekanik enerjiye, elektrik enerjisine ve tabii ki, neredeyse anlık bir zamandı. Sera etkisine neden olan karbondioksit.
Modern insan toplumunun neredeyse tüm gücünün aşağıdaki basit kimyasal reaksiyona dayandığı söylenebilir:
Hidrokarbon / Hidrojen + Oksijenli Su + Karbon Dioksit
Ancak yeryüzündeki yakıt şimdilik tükenmeyecek olsa bile fosil yakıtların getirdiği iklim ısınması şimdiden kaşlarını yaktı. Hükümetlerarası İklim Değişikliği Paneli (IPCC) raporuna göre, insanlık gezegeni ekolojik çöküş, yükselen deniz seviyeleri, yiyecek kıtlığı ve hatta savaşların kabusundan kurtarmak istiyorsa, sıcaklık artışı 2 dereceden daha azıyla sınırlandırılmalıdır - veya, Ayrıca yaklaşık 100 milyon ton karbondioksit de yayabilir. İnsanlar mevcut duruma göre emisyon yaymaya devam ederse, bu tehlikeli hedefe "ulaşmak" sadece 20 ila 30 yıl sürecektir.
Fosil yakıtlar artık bu kadar büyük ölçekte kullanılamaz, ancak her yer elektrikle değiştirilemez. Tesla ve diğer şirketlerin yoğun tanıtımıyla elektrikli araçlar, fosil yakıtlı araçların tamamen değiştirilmesinden yalnızca bir adım uzakta görünüyor. Bununla birlikte, lityum pillerin enerji yoğunluğu - enerji taşıyıcılarının birim ağırlığı başına salınabilen enerji - acınacak derecede küçüktür, bu da elektrikli araçların menzilini çok sınırlandırır.
Örneğin, iki metrelik bir elektrikli araba en fazla 300 kilometre yol kat edebilir. Bir uçağın göbeği pillerle kalktığını hayal edemezsiniz ve bir geminin kargodan çok daha ağır pillerle seyahat etmesi imkansızdır.
Çeşitli enerji taşıyıcılarının enerji yoğunluğu karşılaştırması: Lityum iyon pillerin enerji yoğunluğu o kadar düşüktür ki yalnızca birkaç alanda kullanılabilir. Karnınızı küçümsemeyin, yağ mükemmel bir enerji taşıyıcısıdır. Yiğit bir generalin karnındaki enerji, muhtemelen tamamen şarj edilmiş bir Tesla arabasından daha iyidir.
Bu nedenle, bilim adamları on yıllardır su ve karbondioksiti tekrar yakıta dönüştürmek için tükenmez ve tükenmez güneş enerjisini kullanarak yakıt yanmasının reaksiyonunu tersine çevirmek için çok çalıştılar:
Su + karbondioksit hidrokarbonlar hidrojen + oksijen
Güneşin yardımıyla yanma ürünleri yakıt üretimi için hammaddeye dönüştürülerek sanayi, ulaşım, elektrik üretimi, ısınma gibi pek çok alanda tekrar kullanılmaktadır. Teknoloji nihayet hayata geçirilirse, insanlık için temiz enerjinin geleceği açısından büyük önem kazanacaktır: Nihayet fosil yakıtlardan kurtulabilir ve sıfır karbon döngüsü elde edebiliriz.
Tüm süreç çok zor. Güneş yakıtlarının sentezini sağlamak için yüksek verimli katalizörler gereklidir. Bununla birlikte, bu tür katalizör çok nadirdir - son 40 yılda bilim adamları sadece 16 tür keşfettiler ve başka problemleri incelerken yanlışlıkla keşfedildi. Bu 16 malzemenin performansı da tatmin edici değil.
Bununla birlikte, ABD Enerji Bakanlığı'nın Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı ve California Teknoloji Enstitüsü'nden araştırmacılar, yalnızca iki yılda fotoanot olarak kullanılabilecek 12 yeni malzeme eklediler. Bunu nasıl yaptılar? Cevap şudur: teorik hesaplamalar için süper bilgisayar + toplu tarama için yüksek verimli deneysel yöntem.
Yoğunluk fonksiyonel teorisi (DFT), çok elektronlu sistemlerin elektronik yapısını hesaplamak için yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu çalışma, metal oksitlerin enerji bandını doğru ve verimli bir şekilde hesaplamak için bu algoritmayı daha da geliştirdi.
İlk olarak, bilim adamları 60.000 kadar metal oksit materyali kapsayan bir veritabanı oluşturdular; ikincisi, bilim adamları, çok elektronlu sistemlerin elektronik yapısını inceleyen "Yoğunluk Fonksiyonel Teorisi (Yoğunluk Fonksiyonel Teorisi, DFT)" adlı bir kuantum mekaniğini geliştirdiler. Hesaplama yöntemi, yüksek verimliliğini korurken yarı iletken yasak bant genişliğini hesaplamanın doğruluğunu artırır.
Bilim adamları, hesaplamaları hızlandırmak için birçok yöntemi benimsedikten sonra, bu tür hesaplamaların tarihindeki en hızlı hıza ulaştı. Bununla birlikte, veri tabanındaki 60.000 malzemenin kimyasal özellikleri hakkında ayrıntılı hesaplamalar yapmak hala büyük bir projedir - bu kadar büyük miktarda hesaplama, güneş yakıtlarının doğrudan dönüşümü henüz teklif edilmeden on yıllar önce hayal bile edilemezdi. .
Bilim adamları, 60.000 malzemenin kimyasal özelliklerini hesaplamak için süper bilgisayarlar kullandı ve test için düzinelerce malzemeyi seçti
Bununla birlikte, 21. yüzyıl bilim adamlarının eşi görülmemiş güçlü bir aracı var: süper bilgisayarlar. Bilim adamları, ABD Enerji Bakanlığı'na bağlı Ulusal Enerji Araştırma Bilimsel Hesaplama Merkezi'nin (NERSC) süper bilgisayarını yüzlerce teorik hesaplama yapmak için kullandılar; bunlardan düzinelerce potansiyel olarak yararlı bileşik tarandı ve deneysel ekipmana teslim edildi. doğrulama.
NERSC'de Edison adlı süper bilgisayar (Cray XC30)
Bir öncekinden çok daha doğru olan "aday" materyallerden oluşan bir kitaplık edindikten sonra, bir sonraki adım kapsamlı doğrulama yapmaktır. Deney için gerekli malzemeleri hazırlamaktan gelişmiş bir sistem sorumludur. Bu sistemin çalışma prensibi, atomları "püskürten", test edilecek malzemeyi ince bir tabaka oluşturmak üzere düz bir yüzeye püskürten bir "boya püskürtücü" olarak anlaşılabilir. Isıl işlemden sonra, daha ileri testler için bilim adamlarının önünde farklı renklerde malzemeler ortaya çıktı.
Bilim adamları, aynı anda çok sayıda malzemenin performansını test ediyor. Resimde farklı malzemeler farklı ışık renklerini yansıtır, bu da güneş ışığı ile farklı rolleri olduğu anlamına gelir.
Bilim adamları önce malzemenin ışığı emme kabiliyetini test ettiler ve daha sonra malzemenin güneş yakıtı üretmek için güneş ışığını verimli bir şekilde emme yeteneğini test ettiler. İlaç şirketlerinin uygulamasından öğrendiler ve "yüksek verimli" bir fotokimyasal test ekipmanı tasarladılar.
Sözde "yüksek verim" deneyi, çok sayıda malzemenin hızlı test edilmesini ifade eder. İcat ettikleri cihaz, malzemenin geleneksel deneysel yöntemlerden 100 ila 1000 kat daha yüksek bir hızda güneş ışığı radyasyonu altında hidrojene ve oksijene ayrıştırma yeteneğini test edebilir. Sonunda, insanlığın bildiği fotoanot materyallerinin sayısını neredeyse ikiye katlayan 12 çeşit fotoanot materyali doğruladılar.
Dahası, bu yeni materyalleri keşfetmenin yanı sıra, araştırmacılar teorik hesaplamalar ve deneysel doğrulama yoluyla dahili elektronik yapı hakkında da bilgi edindiler ve bu materyallerin neden fotokatalitik reaksiyonlarda kullanılabileceğini anlamalarına izin verdi.
Daha da önemlisi, bu araştırmanın sonuçlarını kullanarak, dünyanın dört bir yanındaki bilim adamları, güneş yakıtı üretmek için büyük ölçekli endüstriyel uygulamalar için teknik bir çözüm bulmak amacıyla bu yeni malzemeleri daha fazla test edebilir. Veya daha fazla malzeme keşfetmek ve insanlık için temiz bir gelecek için birlikte çalışmak üzere onların "teorik hesaplama + deneysel doğrulama" modeline bakın.
Yukarıda açıklanan yüksek enerji yoğunluğuna ek olarak, bu araştırma, güneş yakıtlarının diğer iki önemli sonucunu da gerçekleştirebilir:
Her şeyden önce elektrikle karşılaştırıldığında yakıtın depolanması çok daha uygundur. Güneş fotovoltaik enerji üretimi aralıklı ve süreksiz olabilir, ancak ışık ilk önce yakıta dönüştürüldüğü sürece önce depolanabilir ve gerektiğinde kullanılabilir. Bu nedenle, fotovoltaik güneş enerjisi üretiminin aksine, güneş enerjisi yakıtı, gündüz ve gece değişimleri ve hava değişiklikleri lanetini aşabilir. Üstelik bir yerde üretilen güneş enerjisi yakıtı, kullanılmak üzere başka bir yere de taşınabilir. Bu, güneş enerjisinin menşe yerinden üretim ve kullanımını zaman ve uzayda çözmek anlamına gelir.
"Yakıtla ilgili önemli olan şey, bu yüzden elektrik motorları yerine içten yanmalı motorları kullanmamızın nedeni budur - yakıtın enerji yoğunluğu çok daha yüksektir. Ve çok rahat bir şekilde depolanabilir ve taşınabilir - pillerden daha fazla pil ile. Araştırma ekibinin liderlerinden John Gregoire, birlikte gitmek için çok daha fazla enerji dedi.
Bir diğer önemli nokta da karbon içeren güneş yakıtının üretilmesinin havada karbondioksit gerektirmesidir. Bu, güneş yakıtı üretim sürecinin bitki fotosenteziyle aynı olacağı ve atmosferdeki sera gazı içeriğini azaltacağı anlamına gelir. İnsanların yaktığı tüm yakıt güneş yakıtı ise, yerden karbon çıkarmaya gerek yoktur. Bitkilerin etkisiyle birleştiğinde, atmosferdeki karbondioksit, insanlar hala yakıt kullanırken azalabilecektir. Bu, iklim ısınması sorununu çözmek için son derece önemlidir.
Güneş enerjisi yakıt teknolojisinin gelişimi olgun olmaktan uzaktır, ancak Lawrence ve Caltech'ten bilim adamları, gerçekten temiz bir enerji geleceği için yeni bir yol aydınlattılar.
NERSC'nin süper bilgisayarı
Ek Referansı: Başlangıçta zor araştırma
Elbette bu sürecin çok zor olduğunu rahatlıkla tahmin edebilirsiniz. Suyu bölmek kolay ve rahat olsaydı, okyanustaki su güneş tarafından hidrojen ve oksijene dönüştürülürdü.Güneş enerjisini önce bitki örtüsüne dönüştürmek ve ardından milyarlarca yıl sonra bitki örtüsünü toprağa gömmek nasıl gerekli olabilirdi? Yüksek sıcaklık, basınç ve jeolojik hareket er ya da geç yakmamız için petrole ve kömüre mi dönüşecek?
İki ana tür güneş enerjisi yakıtı üretimi vardır: doğrudan işlem ve dolaylı işlem. Doğrudan süreç, ışık enerjisini herhangi bir enerji dönüşümü olmaksızın doğrudan yakıtın kimyasal enerjisine dönüştürür. Dolaylı süreç, önce ışığı elektrik, biyokütle enerjisi vb. Gibi diğer enerjilere dönüştürmeyi içerir.
Genel olarak, dolaylı güneş yakıtı üretimi daha kolaydır, çünkü önce elektrik üretmek için güneş fotovoltaik pilleri kullanmak ve sonra suyu bölmek için elektrik kullanmak; veya şeker kamışı ve diğer mahsulleri yetiştirmek için güneş enerjisini kullanmak gibi bilinen bazı teknolojileri kullanır. Ekinlerdeki şekeri etanol yakıtına dönüştürün.
Bununla birlikte, eksiklikleri de çok açıktır. Her enerji dönüşümüne bir enerji kaybı eşlik eder. Dolaylı güneş enerjisiyle yakıt üretimindeki en büyük sorun, düşük verimlilik ve karmaşık süreçlerdir.
Bu nedenle, güneş enerjisi yakıtı başarılı olacaksa, doğrudan dönüşüm tek yoldur.
N-tipi yarı iletken güneş yakıtının doğrudan dönüştürülmesi ilkesinin şematik diyagramı: güneş ışığı fotoanod üzerinde parlayarak sudaki oksijeni oksijene dönüştürür; katot üzerindeyken hidrojeni hidrojene dönüştürür
Bununla birlikte, suyu veya karbondioksiti yakıta dönüştürmek için doğrudan güneş ışığını kullanmak çok zordur. Gazı açtığınızda gelen ısı dalgasını ve roket tutuştuğunda çıkan alevleri düşünün Hidrojen atomları, karbon atomları ve oksijen atomları arasındaki kimyasal bağlara bu kadar çok enerji koymanın ne kadar zor olduğunu biliyorsunuz.
Bu görevi başarmak için bilim adamları çok nadir bir katalizöre güvenirler: "fotoanot". Bu malzeme genellikle güneş enerjisini emebilen ve elektronları harekete geçirebilen ve sonuçta hidrojen veya diğer güneş yakıtlarının sentezine katkıda bulunan bir metal oksittir.
Bununla birlikte, bu tür katalizörler olarak kullanılabilecek malzemeler çok sınırlıdır ve bulunması çok zordur: Son 40 yılda bilim adamları, güneş fotokimyasal reaksiyonları için anot olarak kullanılabilen yalnızca 16 tür malzeme keşfettiler ve bunların çoğu hala başka konular üzerinde çalışıyor. Yanlışlıkla keşfedildi. Bu katalizörlerin bir kısmının verimi düşük, bir kısmı ise sadece ultraviyole ışığı kullanabiliyor Kısacası güneş yakıtı üretim talebini karşılamaktan uzak.
Bu nedenle, fotoanot malzemelerinin eksikliği, güneş enerjisi yakıt üretimi için önemli bir darboğaz haline geldi.
