Prevod teksta „Sun+Waret=Fuel" Kevina Bullisa iz časopisa „Technology"
Sa katalizatorima koje je stvorio jedan hemičar sa MIT, sunčevo svetlo može da pretvara vodu u vodonik. Ako bi mogli da uvećamo taj proces, solarna energija bi postala dominantni izvor evergije
13. avgust. 2009.
„Sada ću vam pokazati nešto što do sada nisam nikom." Tim rečima se pre jedno šest meseci Daniel Nocera, profesor hemije sa MIT, obratio auditorijumu odabranih naučnika i vladinih zvaničnika zaduženih za energetiku. Od svog pomoćnika je zatražio da zamrači salu, a potom je upalio projektor. „Vidite li ovo?" upitao je prisutne uzbuđenim glasom, pokazujući na mehuriće koji su se podizali sa tajanstvenog materijala potopljenog u menzuru. „Sa ove elektrode oslobađa se kiseonik." A onda je dodao tajanstvenim glasom: „Ovo je budućnost. Pred sobom vidite - list."
Ono što je prikazivala Nocerina demonstracija bila je hemijska reakcija kojom se iz vode dobija kiseonik, kao što to rade zelene biljke u procesu fotosinteze - uspeh koji može da ima dalekosežne implikacije na sve izvesniju globalnu energetsku krizu. Potpomognuta katalizatorom, reakcija predstavlja prvi i najteži korak u razlaganju vode radi dobijanja vodonika. A uspešno dobijanje vodonika iz vode, veruje Nocera, pomoglo bi da se prebrodi glavna prepreka koja sprečava da solarna energija konačno postane dominantni izvor električne energije, pošto za sada ne postoji jeftin način za čuvanje energije prikupljene solarnim panelima, koja bi mogla da se koristi noću ili tokom oblačnih dana.
Solarna energija poseduje jedinstven potencijal da daje veliku količinu čiste energije koja ne učestvuje u globalnom zagrevanju. Ali bez mogućnosti jeftinog uskladištenja te energije, solarna energija neće moći u većem obimu da zameni danas dominantna fosilna goriva. Ali prema Nocerinom scenariju, sunčeva svetlost bi mogla da razlaže vodu na univerzalno godonično gorivo, lako za čuvanje, koje može da sagoreva u generatorima sa unutrašnjim sagorevanjem, ili u rekombinaciji sa kiseonikom, u gorivim ćelijama[1]. Još bolje, za reakciju bi mogla da se upotrebljava i morska voda; u tom slučaju bi pored električne struje mogli da jeftino dobijamo i pijaću vodu.
Čuvanje energije sa Sunca imitiranjem procesa fotosinteze ideja je koju naučnici pokušavaju da materijalizuju još od sedamdesetih godina prošlog veka. Posebno ih je interesovalo da ponove način na koji zelene biljke razlažu vodu. Hemičari su, naravno, odavno pronašli način da razlože vodu, ali on zahteva visoku temperaturu, neprijatne aklalne rastvore, ili retke i skupe katalizatore, kao što je, recimo, platina. Nocera je ponudio jeftin katalizator, koji stvara kiseonik iz vode na sobnoj temperaturi i bez jakih hemikalija - u istim benignim uslovima koje se sreću i kod biljaka. Nekoliko drugih katalizatora, uključujući i jedan Nocerin, mogli bi da pomognu da se proces kompletira i stvori se vodonik.
Nocera vidi dva načina na koje će njegov pronalazak da napravi benefit. Kao prvo, konvencionalni solarni paneli će sakupljeti sunčevu energiju i proizvoditi elektricitet; za uzvrat, ta struja će pokretati uređaj koji se naziva elektrolizator, koji će uz pomoć njegovog katalizatora da razlaže vodu. Drugi način uključuje sistem koji mnogo bliže imitira strukturu lista biljke. Katalizator bi se nanosio premazima specijalne boje koja sadrži molekule katalizatora koji će da apsorbuju sunčevu svetlost; tako zarobljena energija će pokretati vodorazgradljivu reakciju. U oba slučaja, solarna energija će moći da se konvertuje u vodonično gorivo koje je dalje lako moguće skladišiti i koristiti noću - ili bilo kada kad nam zatreba.
Nocerine smele trvrdnje o važnosti njegovog pronalaska nisu nešto o čemu akademski hemičari rado pričaju. Brojni eksperti su zabrinuti kako će se njegov sistem ponašati kada se uveća i kako će se ekonomski pokazati. Ali na sve te sumnje Nocera odgovara sa smeškom. „Sa ovim otkrićem, totalno ću promeniti tok priče," rekao je auditorijumu na majskom predavanju. „Svi prevaziđeni argumenti će da lete kroz prozor."
Tamna strana solarne energije
Sunčeva svetlost je najveći potencijalni izvor obnovljive energije na svetu[2], ali lako može da se desi da čitav taj potencijal ostane nerealizovan. Ne samo da solarni paneli ne funkcionišu noću, već i preko dana njihova snaga raste i opada ako oblaci prolaze iznad njih. To je razlog zbog koga je većina solarnih panela danas - bez obzira da li se radi o onima na umreženim velikim solarnim farmama ili onima na krovovima kuća i fabrika - ipak dodatno prikopčana na električnu mrežu. Tokom sunčanih dana, kada su uslovi za solarne panele idealni, domaćinstva i kompanije mogu da prodaji višak energije elektrodistributivnoj mreži, ali generalno, svi oni moraju da budu u mreži tokom noći, ili kada oblaci zamrače panele.
Takav sisrem funkcioniše jedino zahvaljujući tome što danas solarna energija tek malim procentom učestvuje u ukupnoj proizvodnji električne struje: u Sjedinjenim Državama čini tek 1 procenat ukupne proizvodnje (u svetu manje od 0,02% ukupne svetske proizvodnje). Sa eventualnim porasom tog procenta, nepouzdanost sistema bi predstavljao ozbiljan i narastajući problem.
Ali ako bi proizvodnja solarne energije dovoljno porasla da pokriva makar 10 procenata ukupnih današnjih potreba za električnom energijom, elektrodistributivna mreža bi morala da odluči kako će reagovati ako se tokom najveće potrošnje navuku oblaci, glasno razmišlja Ryan Wiser, naučnik koji proučava energetsko tržište za Nacionalnu laboratoriju Lawrence Berkeley, u Kaliforniji. Ili će da podignu dodatne centrale na prirodni gas i tako kompenzuju manjak energije, ili će da investiraju u sisteme za čuvanje energije. Trenutno je prva opcija jeftinija, a Wiser podseća: „Čuvanje električne energije još uvek je preskupo."
Ali ako bi solarna energija pokrivala više od 20 procenata ukupnih današnjih potreba za strujom, smatra on, počela bi da ulazi u ono što nazivamo osnovnim unosom energije, onim iznosom koja je potreban za pokrivanje minimalnih potreba jednog društva. Jasno je da potrebno da se osnovni unos energije (koji trenutno pokrivaju uglavnom termoelektrane) relativno konstantno popunjava. Solarna energija to nemože da obezbedi, jer nije u stanju da se u većem obimu koristi 24 časa na dan, po dobrom ili lošem vremenu.
Ukratko, da bi solarna energija postala primarni izvor struje, moraće da se reši problem njenog uskladištenja u velikim razmerama. Opcije koje se danas nude za čuvanje elektriciteta veoma su nepraktične u dovoljno velikim razmerama, smatra Nathan Lewis, profesor hemije sa Caltecha. Razmotrimo najjeftiniji metod: uz pomoć električne struje voda se pumpa na visinu a onda se odozgo pušta na turbine koje kasnije proizvode elektricitet. Jedan kilogram vode izbačen pumpama na 100 metara visine sadrži oko 1 kilodžul energije. Za poređenje, kilogram benzina sadrži oko 45.000 kilodžula. Sačuvati dovoljno energije na ovaj način zahtevalo bi gradnju masivnih brana i ogromnih rezervoara koji bi morali svakodnevno da se pune i prazne. Takođe problem predstavlja gde naći toliku vodu u sušnim predelima, kao što su Nevada ili Arizona, gde je sunce posebno jako i dugotrajno.
Takođe su i akumulatori jako skupi: u jednom tipičnom solarnom domaćinstvu povećavaju ukupne godišnje troškove za dodatnih $10.000. Mada predstavljaju unapređenje, ipak još uvek čuvaju manje energije nego gorivo poput „nafte" („dizela") i vodonika skladištenog na hemijski način. Najbolji akumulatori mogu da sačuvaju oko 300 vat-časova energije po kilogramu, podseća Lewis, dok nafta sadrži 13.000 vat-sati po kilogramu. „Brojevi su očiti pokazatelj da su hemijska goriva jedini način da skladištimo stvarno puno energije," kaže Lewis. Od predloženih goriva, vodonik ne samo da je potencijalno ekološki čistiji od nafte i benzina, već prema težini može da uskladišti znatno više energije - oko tri puta više, mada mu trebaju veći rezervoari, obzirom da je u gasovitom stanju.
Izazov leži u korišćenju sunčeve energije za proizvodnju takvog goriva, ali na jeftiniji i efikasniji način. Tu nastupa Nocerina ideja da imitira fotosintetički proces.
Fotosinteza u čaši: U eksperimentu koji je podešen da ponovi sve najbitnije uslove za fotosintezu kod biljaka, Daniel Nocera je demonstrirao lak i potencijalno jeftin način za proizvodnju gasovitog vodonika. Kada se pusti struja, kobalt i fosfat se u rastvoru (levo) akumuliraju na elektrodi i stvaraju katalizator koji oslobađa kiseonik iz vode, dok elektroni odlaze kroz elektrodu. Vodonični joni teku kroz membranu; na drugoj strani se uz pomoć metalnog ktalizatora od nikla stvara vodonik (Nocera je takođe koristio i platinski katalizator)
Imitiranje biljaka
Kod pravog procesa fotosinteze, biljke koriste molekule zelenog pigmenta, hlorofila[3], da bi uhvatile sunčevu energiju i upotrebile je u seriji složenih hemijskih reakcija i vodu i ugljen-dioksid pretvorile u energijom bogate ugljene hidrate, kao što su skrob i šećer (biosinteza). Ali ono što naučnike specijalno privlači jeste prvi korak u tom procesu, u kome kombinacija proteina i neorganskih katalizatora pomaže da se voda razbije na kiseonične i vodonične jone (fotoliza vode).
Danas možemo reći da se polje veštačke fotosinteze brzo razvijalo. Početkom sedamdesetih, postdiplomac sa Tokijskog univerziteta, Akira Fujishima (1942), i njegov mentor, Kenichi Honda, pokazali su da elektrode napravljene od titanijum-dioksida (TiO2) - glavne komponente bele farbe - mogu lagano da razlažu vodu kada su izložene svetlosti snažne ksenonske sijalice od 500 vati. Ovo otkriće, kasnije nazvano Honda-Fujishima efekat, pokazalo je da svetlost može da se koristi za razlaganje vode i van biljaka. Godine 1974., Thomas Mayer, profesor hemije sa univerziteta Severna Karolina, pokazao je da premazi na bazi rutenijuma (Ru), izloženi snažnom svetlu, podržavaju hemijsku promenu koja ima potencijal da oksidira vodu, odn. da privlači elektrone iz nje - što je bio prvo stepenik u razlaganju vode.
Nažalost, nijedna navedena tehnika se nije pokazala praktičnom. Titanijum-dioksid nije mogao da apsorbuje dovoljno sunčeve svetlosti, a hemijsko stanje izazvano svetlom u Meyerovom premazu bilo je prekratko da bi moglo da se iskoristi. Ali postignuti napredak zagolicao je maštu mnogih naučnika. „Sasvim je moguće gledati unapred i videti cilj, a onda, principijelno, polako sastavljati slagalicu," ubeđen je Meyer.
Sledećih nekoliko decenija naučnici su pažljivo proučavali strukturu i materije u biljkama koje apsorbuju svetlost i čuvaju energiju. Otkriveno je da one imaju savršenu koreografiju kretanja molekula vode, elektrona i vodoničnih jona - tj. protona, ali je srž samog mehanizma ostala nepoznata. A onda su 2004. godine istraživači sa londonskog Imperial Collegea identifikomali strukturu grupe proteina i metala koji su kod biljaka od krucijalne važnosti za oslobađanje kiseonika iz vode. Oni su pokazali da je srce tog katalitičkog procesa u sklopu proteina, atoma kiseonika, i magnezijumskih i kalcijumovih jona koji uzejamno deluju na vrlo specifičan način.
„Čim smo to shvatili, mogli smo da počnemo sa dizajniranjem sopstvenog sistema," seća se Nocera, koji još od 1984. pokušava da u potpunosti shvati hemiju fotosintetskog prosesa. Čitajući tu „mapu puteva", kaže, njegova istraživačka grupa je uspela da natera protone i elektrone da rade isto ono što rade i u biljci - ali korišćenjem isključivo neorganskih materijala, koji su mnogo robusniji i stabilniji od proteina.
Prvobitno, Nocera se nije prihvatio najvećeg izazova, a to je dobijanje kiseonika iz vode, već se bavio obrnutim procesom: kombinovanjem kiseonika sa protonima i elektronima da bi dobio vodu. Tada je otkrio da određena složena jedinjenja na bazi kobalta predstavljaju dobre katalizatore za te reakcije, tako da je, kada se odlučio da pokuša da razloži vodu, iskoristio već proverena kobaltna jedinjenja.
Nocera je bio svestan da rad sa tim jedinjenjima u vodi može da stvara probleme budući da se kobalt lako rastvara. Zato se nije iznenadio kada je, kaže, „posle nekoliko dana shvatio da je kobalt nestao iz svih pripremljenih jedinjenja". Kada je taj pokušaj propao, odlučio se za sasvim drugačiji pristup. Umesto da koristi složena jedinjenja, testirao je katalitičku aktivnost rastvorenog kobalta, uz mali dodatak fosfata u vodi da bi pospešio reakciju. „Rekli smo, hajde da zaboravimo sve te pripremljene stvari i direktno upotrebimo kobalt."
Solarna energija ide solo: Veštačka fotosinteza bi mogla da pruži praktičan način za sakupljanje energije proizvedene na solarni pogon, i tako oslobodi kućna domaćinstva električne mreže. Na prikazanoj šemi, struja iz solarnih panela pokreće elektrolizator, koji razlaže vodu na vodonik i kiseonik. Vodonik se skladišti; tokom noći ili oblačnih dana od puni gorive ćelije i proizvodi električnu struju za osvetljenje, uređaje, pa čak i električni automobil. Tokom vedrih i sunčanih dana, deo soladne energije se koristi direktno, preskačući fazu vroizvodnje vodonika.
Eksperimenat je protekao bolje nego što su Nocera i njegove kolege i sanjali. Čim je puštena struja kroz elektrode uronjene u rastvor, kobalt i fosfat su počeli da se sakupljaju okolo u vidu tankog filma, a nakon par minuta stvorio se gust oblak mehurića. Naknadni testovi su potvrdili da su mehurići u stvari kiseonik nastao razlaganjem vode. „Bila je to čista sreća," priča Nocera. „Nije bilo razloga da očekujemo da će obični kobalt i fosfat, naspram čistog kobalta koji smo pre toga koristili u načim jedinjenjima, pokazati tako dobro. To nisam mogao da predvidim. Ono što je otpadalo sa pripremljenih uzoraka preobratilo se u ono što nam je bilo potrebno."
„Sada nam je samo potrebno da sve ovo shvatimo," nastavlja on. „Pokušavam da razumem zašto je taj tanak film kobalta toliko aktivan. Onda bih možda mogao to da poboljšam, ili da korišćenjem različitih metala u iste svrhe pojačam reakciju". U isto vreme, Nocera želi pokrene razgovore sa inženjerima u cilju optimizacije procesa i stvaranju efikasne ćelije za razlaganje vode, u kojoj će biti inkorporirani katalizatori za stvaranje i kiseonika i vodonika. „Stvarno smo zainteresovani za bazičnu nauku. Možemo li da stvorimo katalizator koji će efikasno raditi u uslovima fotosinteze?" kaže on. „Sada znamo da je odgovor potvrdan. Konačno imamo tehnologiju za realizaciju takvih ćelija."
Početak debate
Neocerino otkriće je izazvalo ogromnu pažnju i komentare stručne javnosti, od kojih neki nisu bili baš laskavi. Mnogi hemičari nalaze da su njegove tvrdnje preterane; oni ne osporavaju njegova istraživanja već sumnjaju u njihove konsekvence. „Tvrdnja da je to odgovor na veštačku fotosintezu prosto je smešan," kaže Thomas Meyer, koji je bio Nocerin mentor. Dalje dodaje da je Nocerini katalizatori „mogu da se pokažu kao tehnološki značajni", ali da „nema garancija da će funkcionisati u velikim sistemima pa čak ikada postati praktični."
Mnoge kritike se tiču nesposobnosti Nocerinog laboratorijskog eksperimenta da ni približno tako brzo razgrađuje vodu kao što to rade sadašnji komercijalni elektrolizatori. Oni su manji i stvaraju dovoljnu količinu vodonika i kiseonika. A manji sistemi, u principu, znače i jeftinije sisteme.
Način da se uporede različiti katalizatori ogleda se u „gustini struje" - električnoj struji po kvadratnom santimetru - prilikom njihove maksimalne efikasnosti. Što je struja jača, to se stvara više kiseonika. Nocera je prijavio da dobija 1 miliamper po kvadratnom santimetru, a da je nakon toga postizao i 10 miliampera. Komercijalni elektrolizatori stvaraju u proseku oko 1.000 miliampera po kvadratnom santimetru. „Ovo što je objavio nikada neće moći da se koristi u komercijalne svrhe, bar ne dok ne postigne 800 do 2.000 puta veću gustinu struje," izjavio je John Turner, stručnjak u Nacionalnoj laboratoriji za obnovljivu energiju u Goldenu, u Koloradu.
Neki drugi eksperti dovode u pitanje čitav princip konvertovanja sunčeve svetlosti u elektricitet, potom u hemijsko gorivo, a zatim ponovo u električnu energiju. Oni podsećaju da jeste tačno da akumulatori skladište manje energije od hemijskih goriva, ali su zato daleko efikasniji, zato što korišćenje struje za stvaranje goriva a zatim korišćenje goriva za dobijanje struje dovodi do značajnih energetskih gubitaka u svakoj od navedenih faza. Bilo bi bolje, smatraju oni, da se napori fokusiraju na unapređenje tehnologije proizvodnje akumulatora ili sličnih načina skladištenja struje, nego na razvoj razlagača vode i gorivih ćelija. Kako napominje Ryan Wiser, „Elektroliza je [trenutno] neefikasna, pa zbog čega onda raditi sve to?"
Veštački list
Međutim, možda Michael Grätzel ima bolji način da iskoristi Nocerin pronalazak u praktične svrhe. Profesor hemije i hemijskog inženjeringa na Državnoj politehničkoj školi (École Polytechnique Fédérale) u Lozani, u Švajcarskoj, bio je prvi čovek kome je Nocera poverio da je pronašao novi katalizator. „Bio je tako uzbuđen," seća se Grätzel. „Odveo me je u jedan restoran i naručio bocu jako skupog vina."
Još 1991. Grätzel je pronašao novi tip solarne ćelije. Koristio je premaze koji sadrže rutenijum, koji se ponaša slično hlorofilu u biljkama, koji apsorbuju svetlost a oslobađaju elektrone. U Grätzelovim solarnim ćelijama, međutim, elektroni nisu podsticali reakciju razlaganja vode već su stvarali film titanijum-dioksida i direktno kroz spoljnje kolo stvarali struju. Grätzel trenutno razmišlja o načinu na koji bi integrisao svoje ćelije sa Nocerinim katalizatorom u jedan uređaj koji bi sakupljao sunčevu energiju i koristio je za razlaganje vode.
Ako bi se ispostavilo da je u pravu, to bi bio značajan korak u stvaranju uređaja koji bi, na mnogo načina, zamenio običan list. Ideja je da Grätzelov premaz zameni elektrodu na kome se formira katalizator u Nocerinom sistemu. Sam premaz, kada se izloži svetlosti, stvaraće dovoljno napona potrebnog za stvaranje katalizatora. „Premaz će se ponašati kao molekulski vod koji će odvoditi struju," smatra Grätzel. Nakon toga, katalizator će se sakupljati baš tamo gde treba, a to je na premazu. Kada se jednom stvori katalizator, omogućiće da apsorbovana solarna energija premaza otpočne reakciju razlaganja vode. Grätzel je potpuno siguran da bi takav uređaj bio znatno efikasniji i jeftiniji od solarnih panela i elektrolizatora korišćenih pojedinačno.
Druga mogućnost koju je Nocera istraživao bila je da li njegov katalizator može da se koristi za razgradnju morske vode. Početni testovi, koje je izvodio u prisustvu soli, bili su pozitivni, a sada mu predstoji da proveri kako će se reakcija odvijati uz prisustvo drugih jedinjenja koja su prisutna u morima. Ako sve bude išlo glatko, Nocerin sistem bi mogao da reši mnogo više od energetske krize; mogao bi da razreši i globalno narastajući problem čiste, pijaće vode.
Veštačko lišće i sistem za desalinizaciju koji daje energiju možda zvuče kao grandiozna obećanja. Ali prema mišljenju mnogih naučnika, takva mogućnost je ludački blizu; hemičari koji su tražili nove tehnologije u energetici decenijama su sa podsmehom gledali na činjenicu da biljke tako lako koriste sunčevu svetlost u pretvaranju velike količine materijala u molekule bogate energijom. „Mogli smo samo da posmatramo kako se to dešava svuda oko nas, ali to je bilo nešto što nama nije polazilo za rukom," priznaje Paul Alivisatos, profesor hemije sa Kalifornijskog univerziteta Berkeley, koji vodi projekat Nacionalne laboratorije Lawrence Brekeley imitacije fotosinteze u hemijskom smislu.
Ali uskoro, koristeći idejne nacrte same prirode, ljudi bi mogli da koriste Sunce u „dobijanju goriva iz čaše vode," kako je to sam Nocera nazvao. Ta ideja ima jednu eleganciju koju nijedan hemičar ne može da porekne - i mogućnosti u koje svi treba da polažemo nadu.
[1] U načelu, to je električna ćelija koja putem oksidacije gasnog goriva u kontinuiranom procesu direktno stvara električnu energiju za pogon. Stepen iskorišćenosti je 65-80%. Postoje mnoge kombinacije goriva i oksidanata. Vodonične ćelije koriste vodonik kao gorivo a kiseonik kao oksidant, ali kao gorivo mogu da posluže i razni ugljovodonici i alkoholi. Bipolarne ploče elektroda (od metala ili ugljeničnih nanocevi) prevučene su slojem katalizatora od platine ili paladijuma.
[2] Prosečno, 1 m2 površine naše planete dobija 1.366 W energije, što je ekvivalentno 1,96 kalorija/min/cm2. Zbog promene Zemljine udaljenosti od Sunca, ta vrednost godišnje varira za 6,9% (od 1.412 W/m2 početkom januara, do 1.321 W/m2 početkom juna).
[3] Na grčkom, χλωρός, (hloros ) znači "zelen", a φύλλον (phyllon) "list".
Još o solarnoj energiji
Sunce i ovce
Koliko smo mi daleko od solarne energije?
Priča o ideji da se Sunčeva energija prikuplja iz svemira i šalje na Zemlju.
Kako iskoristiti sunce Solarna zemunica Covek je vremenski gledano ...
Solarna zemunica. Covek je vremenski gledano najduze nastanjivao pecine i zemunice koje su pruzale termicku stabilnost, ali slabu zastitu od napada zveri ...
Hoće li nam naplaćivati i sunčanje?
Kao što su vizionari i zamislili, džinovski solarni kolektori, ... "Za to vreme će solarni paneli na Zemlji postati još jeftiniji," kaže Robert McConnell, ...
KOJI TELESKOP DA KUPIM?
