Uzaya gidebilen biyonik yapraklar
Bu yeşil fabrikalar, mikroorganizmaları yarı iletken fotovoltaiklerin üzerine koyarak ve güneşin tadını çıkararak gıda, gübre, yakıt, ilaç ve diğer bileşikler gibi ihtiyacımız olan her türlü bileşiği üretebilir.
Hepimizin bildiği gibi, enerji sorunları her zaman dünyadaki ülkeler arasındaki anlaşmazlıkların temel nedenlerinden biri olmuştur. Enerji için rekabet edebilmek için ülkeler arasında sık sık savaşlar olur.
Peki, yeni bilimsel gelişmeler enerji kıtlığını tamamen tersine çevirebilir ve savaş tehdidini azaltabilir mi?
Kötü haber şu ki, esas olarak güvendiğimiz yakıt hala yenilenemeyen kaynaklar olan kömür, petrol ve doğal gaz gibi fosil yakıtlardır. Ancak günümüzde insanoğlunun artan enerji tüketimine göre fosil yakıtlar kaçınılmaz olarak gelecekte bir gün tükenecektir.
İyi haber şu ki, bilim adamları, son yıllarda güneş enerjisi gibi yeni enerji kaynaklarına ek olarak, çığır açan düşüncenin hayal gücüne ve sürekli araştırmanın bilimsel ruhuna dayanarak sıfıra yakın karbondioksit emisyonu olan biyonik yapraklar ile yeni bir yenilenebilir enerji türü geliştirdiler. . Bu, bitki fotosentezini taklit eden ve insanlar tarafından ihtiyaç duyulan yakıt ve diğer bileşikleri üretmek için mikroorganizmaları ve elektriği kullanan biyonik bir teknolojidir.
Ancak on yıl önce, bilim camiasında hiç kimse böyle bir araştırmanın başarılı olabileceğine inanmıyordu. Peki, biyonik yaprak hangi gelişim sürecinden geçti ve gelecekte fosil yakıtların ve diğer nadir enerji kaynaklarının yerini alabilir mi?
Yüz yıldan daha önce kehanet
İlk olarak, yüz yıldan daha önce yapılan bir tahmine bakalım.
27 Eylül 1912'de, fotokimyasal reaksiyon araştırmasını ilk yapan İtalyan bilim adamı Chamician, Sekizinci Uluslararası Uygulamalı Kimya Konferansı'nda tahminini yayınladı: Geleceğin dünyası, kurak alanlarda bir enerji kaynağı olarak güneş fotovoltaik kullanacak Bacasız fabrikalar olacak; cam tüp ormanları ufukta uzanmaya devam edecek ve her yerde cam binalar olacak; insanlar fotosentezi taklit edecek ve kendilerine doğanın sağladığından daha bol sentetik besin sağlayacak. Güneş parladığı müddetçe kömür tükense bile insan uygarlığı durmayacak, yaşam ve medeniyet devam edecek.
Güneş pillerinin ana malzemesi olan kristal silikon piyasada yaygın olarak kullanılmaktadır. Ortalama olarak, her katı silikon kristali, kendisine çarpan güneş fotonlarının% 15 ila% 20'sini elektriğe dönüştürebilir ve diğer ucuz ve serbestçe erişilebilir güneş enerjisi de hızla geliştirildi. Chamician'ın fotovoltaik hakkındaki öngörülerinin adım adım gerçekleştirildiği söylenebilir.
Bununla birlikte, güneşin ışığı sabit değildir. Gün boyunca dünyanın yalnızca bir tarafını aydınlatır ve bazen bulutların arkasına saklanır, bu da fotovoltaik hücrelerin ürettiği akımın aralıklı görünmesini sağlayarak üretimimize ve yaşamımıza büyük bir etki sağlar. Rahatsızlık.
% 15 ila% 20 gibi yüksek silikon kristallerin güneş enerjisi dönüşüm oranıyla karşılaştırıldığında, Chamicianın tahmininde bahsedilen bitkileri taklit eden fotosentez üretim bileşiği fazla ilgi görmedi. Teoride, bitkiler güneş enerjisinin en fazla yalnızca% 4,5'ini biyokütleye dönüştürebilir; aslında, dönüşüm başarı oranı yalnızca yaklaşık% 1'dir.
Ancak bitkilerin fotosentezi, dengesiz güneş ışığı sorununu çözebilir. Bitkilerin enerji depolama şekli, yüklü parçacıklara değil, kimyasal bağlara dayanır. Metabolizmalarını kolaylaştırmak için enerjiyi şeker şeklinde depolarlar. Başka bir deyişle, yaptıkları şey yakıttır.
Nocera'nın ilk yaprağı
Bitkilerin fotosentezini nasıl taklit edebiliriz ve çevresel olarak nasıl yakıt üretebiliriz?
Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Harvard Üniversitesi'nden Profesör Nocera, fotosentezi kopyalamak için araştırma ve geliştirmeye başlayan ilk kişiydi. 2011 yılında, o zamanın en iyi yapay yaprak sistemini geliştirdi - katalizörlerle dolu bir silikon kristali. Yaprak olmaktan çok gri ışıklı bir damgaya benziyor. Yeterli ışıkla suya atın.Güneş ışığından dönüştürülen elektriği suyu elektrolize etmek ve suyu oksijen ve hidrojene ayırmak için kullanabilir.Yakıt olarak hidrojen kullanılabilir. Bununla birlikte, hidrojeni yakıt olarak kullanmak pratik değildir, birincisi, hidrojenin boyutu büyüktür, sıkıştırılması kolay değildir ve depolanması ve taşınması zordur. İkincisi, kullanımı elverişsiz ve tehlikelidir, bu nedenle bilim adamları yollar düşünmeye devam ediyor.
Silikon kristal yaprakların temelini oluşturan Nocera ve Harvard Üniversitesi biyomühendis Pamela Sveil, suda hidrojeni ayrıştıran 2011 yılında yapılan yapay yaprakları ve Alcaligenes eutropha adlı bir tür toprağı birleştirmek için birlikte çalıştı. Bakteriler birbirine uyuyor. Bu, bakterilerin hidrojen ve karbondioksit yemesine ve karbon bazlı sıvı yakıt tükürmesine izin verir. Ayrıca, farklı sıvı etanol yakıtları üretebilmesi için Alcaligenes eutropha genlerini onardılar.
Ancak, Nocera ve Sverre'nin deneyleri başarılı oldu, ancak ancak zar zor başarılı oldu. Yapay yaprakların hidrojen üretmesine yardımcı olan bu katalizörler aynı zamanda son derece aktif bir oksijen atomu üretir. Bu oksijen atomları çok aktif oldukları için Alcaligenes eutropha'nın biyokimyasal mekanizmasına müdahale ettiler ve bu bakterileri birkaç saat içinde öldürdüler.
Bir deneyin başarısızlığı Nocera'nın ayak seslerini durdurmadı. 2016 yılında Nocera ve ekibi, bakterilere dost yeni bir katalizör keşfetti. Bu tür bir katalizör artık bakterilerin çalışmasını engellemiyor ve onları öldürüyor.Bununla yapılan yaprakların maliyeti sadece daha düşük değil, aynı zamanda çok verimli - güneş enerjisinin% 10'unu yakıta dönüştürebilir.
Bununla birlikte, bu teknolojinin maliyeti yine de gaz üretme ve petrol çıkarma maliyetinden daha yüksektir.
Elektrik yiyen mikroplar
Öyleyse, mikroorganizmaları beslemek için hidrojen üretmek için katalizör ve elektrik kullanmanın yanı sıra, daha verimli ve doğrudan başka bir yöntem var mı?
Arizona Eyalet Üniversitesi'nde güneş enerjisi hasadı üzerine çalışan Moore'un ekibi, bazı bakteri türlerinin, net bir yük etkisi altında elektronları doğrudan enjekte ederek hayatta kalabileceklerini buldu. Örneğin, elektronları yiyebilen ve bu elektronları kimyasal reaksiyonları gerçekleştirmek için kullanabilen Geobacteria adlı bir mikroorganizma var.
Çinli-Amerikalı nanomateryal uzmanı Yang Peidong, bu düşünce çizgisini takiben, fotosentetik olmayan bir bakteriyi (ışık enerjisini kendi kendine absorbe edemeyen bakteriler), ışık enerjisini absorbe edebilen silikon nanotellere bağladı. Silikon telde doğrudan güneş enerjisinden dönüştürülen ilkel elektronlar hayatta kaldı ve birkaç hafta büyüyebilir.
İki yıllık deneylerin ardından ekip, bu elektron yiyen mikroorganizmayı karbondioksit ve suyu karbon, hidrojen ve oksijenden oluşan asetat gibi sıvı bir yakıta sentezlemek için kullandı.
Bununla birlikte, yapay olarak nano silikon üretmenin maliyeti nispeten yüksektir, bu nedenle maliyeti düşürmek için ekip, bir deney olarak asetatı kendiliğinden sentezleyen başka bir fotosentetik olmayan bakteri olan Morella thermovine'i kullandı. Işık enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren kimyasal bir karışım. Sonuç olarak, M. thermovine'in yüzeyinde ışığı emebilen bir madde üretilir. Yani M. thermovinegar kendine yarı iletken yapıda bir güneş ceketi yapmış, bu kılıfla güneş enerjisinden dönüştürülen elektronları serbestçe elde edebiliyorlar. Bakteriler çoğalabildiğinden, kendilerini çoğaltan minyatür güneş yakıtlı bitkilerdir.
Şu anda, bu "yaprakların" hepsi tek hücreli organizmalardan oluşan biyolojik makinelerdir, ancak bu tek hücreli organizmalar karmaşık hücrelere dönüşebiliyorsa, elde ettiğimiz karmaşık hücreler daha fazla kimyasal sentez ve üretim yapmak için bir üretim hattı gibi olacaktır. İhtiyacımız olan tüm kimyasal maddelerden.
Şu andaki sorun şu ki, bu elektron yiyen bakteriler deneysel ekipmanda sadece birkaç hafta yaşayabiliyor ve bu sistemin güneş enerjisi dönüşüm oranı sadece% 2,5.
Yang Peidong
Biyonik yaprakların geleceğini dört gözle bekliyoruz
NASA, kısa süre önce Yang Peidong tarafından geliştirilen organik organizmaları kullanarak astronotların gıda, yakıt ve oksijen gibi günlük ihtiyaçlarını karşılamayı planlayan bir projeyi onayladı. Ayrıca, azot ve karbondioksiti emerek sentetik amonyaklı gübre yapma fikrini gerçekleştirmek için Yang Peidong'un biyonik yapraklarını kullanacaklar. Bu sentetik amonyak, evrendeki ekinleri yetiştirmek için kullanılacak.
Yang Peidong ayrıca farklı işlevlere sahip bir mikrobiyal sistem kurmak istedi. Örneğin, sistemde oksijen beslemesini kontrol edebilen hücreler var, oksijen kaynağı yetersizse, bu hücreler fotosentezi hızlandırmak için yaprak hücrelerine geri beslenecekler.
Belki de yakında tüm bileşikleri sentezlemek için silikon nanotellerin ve bakterilerin kullanıldığı yarı biyolojik ve yarı mekanize üretim çağına girebileceğiz Bu, temiz enerji ve yeni şeyler - güneş fotovoltaikleri ve sıfır emisyonla birleştirilmiş çeşitli mikroorganizmalar anlamına geliyor. İnsanlığın ihtiyaç duyduğu tüm kimyasalları yaratmak için: gıda, yakıt, gübre, metal bileşikler ... Biyonik yaprak araştırmalarının gelişmesi nedeniyle, enerji sorunu çözülebilir. Daha da güzel olan şey, bu teknolojinin dünyanın kullanımıyla sınırlı olmamasıdır.Belki bir gün biyonik yapraklar elektronlarını diğer gezegenlerde yiyip ihtiyacımız olan besin ve yakıtı üretecek.
Bu makale büyük teknolojiden geliyor < Bilimsel gizem > Dergi Madde No. 8, 2017 Okuyucuları resmi Weibo'ya dikkat etmeleri için hoş geldiniz: hdkj1997
