Lindi formula magjike, diell + ujë = karburant/Nuk mungojnë as kritikat

Me katalizatorët e krijuar nga një kimist i MIT-it, drita diellore mund ta transformojë ujin në gaz hidrogjen


Me katalizatorët e krijuar nga një kimist i MIT-it, drita diellore mund ta transformojë ujin në gaz hidrogjen. Nëqoftëse procesi do të jetë i riprodhueshëm në shkallë të gjerë, atëhere energjia diellore do të kandidohet për t'u bërë një burim energjetik dominues. "Po iu tregoj diçka që nuk ia kam treguar askujt tjetër", ka thënë në muajin maj Daniel Nocera, Docent i Kimisë në MIT, përballë një auditori shkencëtarësh dhe përgjegjësish qeveritarë të sektorit energjetik. Ka kërkuar që të uleshin dritat për të shfaqur një video. "Arrini ta shikoni mirë?", ka pyetur me një ton të alarmuar, duke treguar flluskat që dilnin nga një copë materiali e zhytur në ujë. "Oksigjeni po del nga elektroda". Më pas ka shtuar me zë të dridhur: "Kjo është e ardhmja. Kemi ngrënë gjethen".

Nocera ishte duke ilustruar një reaksion që gjeneron oksigjen nga uji në të njëjtën mënyrë me të cilën veprojnë bimët e gjelbra gjatë fotosintezës; një zbulim që mund të ketë implikacione të thella në debatin lidhur me burimet energjetike. I përfunduar me ndihmën e një katalizatori të zhvilluar nga Nocera, reaksioni është hapi i parë dhe më impenjues në ndarjen e ujit për të siguruar gaz hidrogjen. Gjenerimi i sasive të mëdha të hidrogjenit nga uji, mendon Nocera, do të mundësojë të tejkalohet një prej pengesave kryesore që akoma e pengojnë energjinë diellore të bëhet burimi më i rëndësishëm i elektricitetit: nuk ekziston asnjë metodë efikase nga pikëpamja e kostove për të magazinuar energjinë e grumbulluar nga panelët diellorë në mënyrë që të përdoret natën apo gjatë ditëve me re.

Energjia diellore është e vetmja potencialisht në gjendje të gjenerojë sasira të konsiderueshme energjie të pastër që nuk kontribuojnë në ngrohjen globale. Por pa instrumentet ekonomikë për ta ruajtur, energjia diellore nuk mund t'i zëvendësojë karburantet me bazë fosile në shkallë të gjerë. Në skenarin e Nocera, drita diellore duhet të ndajë ujin për të prodhuar hidrogjenin e gaztë dhe të thjeshtë për t'u magazinuar që më pas të mund të digjet në një gjenerator me djegie të brendshme apo të ripërzihet me oksigjenin në një bateri me lëndë djegëse. Një hipotezë akoma më ambicioze do të ishte ajo e përdorimit të reaksionit për të ndarë ujin e detit; në këtë rast, futja e hidrogjenit në një pilë me lëndë djegëse duhet të mundësojë që të prodhohet ujë i ëmbël dhe elektricitet.

Shfrytëzimi i energjisë diellore duke imituar procesin e fotosintezës është një ide që shkencëtarët kanë kërkuar ta bëjnë realitet qysh nga fillimet e viteve '70. Në mënyrë të veçantë, kanë provuar të replikojnë mënyrën me të cilën bimët e gjelbra shpërbëjnë ujin. Natyrisht, kimistët janë tashmë në gjendje ta ndajnë ujin, por procesi kërkon temperatura të larta, solucione alkaline të forta apo katalizatorë të rrallë e të kushtueshëm si platini. Kurse Nocera ka zbuluar një katalizator ekonomik që prodhon oksigjen nga uji në temperaturën e mjedisit dhe pa substanca kimike gërryese, duke replikuar të njëjtat kushte të favorshme të ndeshura tek bimët. Katalizatorë të tjerë premtues, midis të cilëve një tjetër i prodhuar gjithmonë nga Nocera, mund të përdoren për të kompletuar procesin dhe prodhuar gaz hidrogjen.

Nocera ka në mendje dy mënyra të ndryshme për ta shfrytëzuar zbulimin e vet. Në rastin e parë, një panel diellor tradicional duhet të kapë dritën e Diellit për të prodhuar elektricitet që, nga ana e tij, duhet të ushqejë një elektrolizator të pajisur me katalizator për të ndarë ujin. Në rastin e dytë, sistemi të kujton nga afër strukturën e gjethes. Katalizatorët do të vendoseshin krah për krah me molekula speciale të ngjyrosura të destinuara që të absorbojnë dritën diellore. Energjia e kapur nga substancat e ngjyrosura duhet të nxisë reaksionin e ndarjes së ujit. Në të dyja rastet, energjia diellore duhet të konvertohet në lëndë djegëse me hidrogjen lehtësisht e ruajtshme dhe e përdorshme natën ose kur paraqitet nevoja. Deklarimet e guximshme të Nocera mbi rëndësinë e zbulimit të tij përgjithësisht nuk futen në llojin e pohimeve që kimistët akademikë e kanë zakon të bëjnë përpara të barabartëve të tyre. Praktikisht, disa ekspertë kanë avancuar dyshime lidhur me aftësinë e sistemit për të lëvizur në shkallë të gjerë dhe mbi ekonomicitetin e tij. Por Nocera nuk tregon shenja rimendimi. "Me këtë zbulim kam ndryshuar krejtësisht letrat në tavolinë", ka theksuar përpara publikut në maj. "Tashmë të gjitha pozicionet e vjetra janë jashtë loje".

Ana e errët e diellores

Drita diellore është potencialisht burimi më i madh i energjisë së rinovueshme, por nuk është e qartë akoma sesi të shfrytëzohet. Jo vetëm panelet diellore nuk funksionojnë natën, por edhe prodhimi ditën ulet dhe humbet fuqi me kalimin e reve. Për këtë arsye, shumë panele diellore - si në fabrikat diellore të ndërtuara nga kompanitë e shërbimeve publike, ashtu dhe mbi çatitë e banesave dhe të kompanive - janë të lidhur me rrjetin elektrik. Në ditët me diell, kur panelet diellore operojnë me pikun e kapacitetit, pronarët e shtëpive dhe kompanitë mund t'ua shesin tepricën e energjisë së shërbimeve. Në çdo rast, duhet t'i besojnë rrjetit gjatë natës apo kur retë errësojnë panelet.

Ky sistem funksionon vetëm pse energjia diellore ofron një kontribut modest për prodhimin global të elektricitetit: përmbush vetëm një fraksion të 1 përqindëshit të kërkesës totale në Shtetet e Bashkuara. Nëqoftëse kontributi i energjisë diellore do të rritet, besueshmëria e dobët e saj do të bëhet një problem gjithnjë e më serioz.

Nëqoftëse energjia diellore do të arrijë të garantojë 10 përqind të elektricitetit të përgjithshëm, shërbimet do të duhet të vendosin çfarë të bëjnë kur do të arrijmë retë në periudhat e pikut të kërkesës, pohon Ryan Wiser, një shkencëtar kërkues që studion tregjet e elektricitetit në Lawrence Berkeley National Laboratory në Berkeley të shtetit California. Kompanitë e shërbimeve publike duhet t'i besojnë atëhere impianteve të tjera të gazit natyror në gjendje të kompensojnë me shpejtësi energjinë e humbur ose do të jenë të shtrënguar të investojnë për ta magazinuar energjinë. Opsioni i parë është për momentin më ekonomiku, thekson Wiser: "Ruajtja e energjisë kushton shumë".

Por nëqoftëse energjia diellore do të marrë pjesë për mbi 20 përqind të prodhimit të përgjithshëm të elektricitetit, vazhdon Wiser, do të fillojë të kontribuojë në të ashtuquajturën ngarkesë energjetike bazë, domethënë sasinë e energjisë të nevojshme për të mbështetur kërkesën minimale. Kjo ngarkesë energjetike bazë (që tani është e garantuar kryesisht nga impiantet me qymyr) duhet të garantohet me një ritëm relativisht konstant. Energjia diellore nuk mund të përdoret për një qëllim të ngjashëm vetëm po të mos ruhet në shkallë të gjerë për ta përdorur më pas 24 orë në ditë, me çfarë kushti atmosferik.

Në thelb, pa një sistem efikas dhe ekonomik magazinimi, energjia diellore vështirë se do të bëhet burimi kryesor i elektricitetit. Alternativat aktuale të ruajtjes së elektricitetit nuk janë të praktikueshme në shkallë mjaftueshmërisht të gjerë, pohon Nathan Lewis, pedagog Kimie në Caltech. Për shembull, nëqoftëse merret në konsideratë një prej metodave më pak të kushtueshme: përdorimi i elektricitetit për të pompuar ujin në ngjitje dhe më pas për ta derdhur drejt një turbine për të gjeneruar elektricitet. 1 kilogram ujë i pompuar deri në 100 metra akumulon rreth 1 kJ energji. Krahasuar me të, 1 kg benzinë posedon rreth 45000. Për të magazinuar një sasi energjie të mjaftueshme me këtë teknikë, do të ishin të nevojshme diga të pafundme dhe basene hidrike për t'u mbushur dhe zbrazur çdo ditë. Ndërmarrje veçanërisht e vështirë në vende si Arizona e Nevada, ku drita diellore është e bollshme, por uji mungon.

Veç kësaj, bateritë kushtojnë shumë: 10000 dollarë të tjerë për t'ju shtuar kostos së sistemit fotovoltaik të brendshëm tradicional. Edhe pse në rrugë përsosjeje, ato ruajnë shumë më pak energji lëndësh djegëse si benzina dhe hidrogjeni që ruhen në formën e lidhjeve kimike. Bateritë më të mira akumulojnë rreth 300 vat/orë energji për kilogram, thotë Lewis, ndërsa benzina arrin në 13000 vat/orë për kilogram. "Shifrat demonstrojnë qartë se lëndët djegëse kimike janë sistemi i vetëm me përmbajtje të lartë energjie për të mbushur depozitat energjetike", konkludon Lewis. Nga këto lëndë djegëse, hidrogjeni nuk është vetëm potencialisht më i pastër se benzina, por, në barazi peshe, akumulon shumë më tepër energji, rreth 3 herë më shumë, edhe pse zë sipërfaqe më të madhe sepse është gaz.

Problemi është të arrihet të shfrytëzohet energjia e Diellit për t'i prodhuar këto lëndë djegëse në mënyra efikase dhe ekonomike. Për ta zgjidhur, Nocera propozon të replikohet procesi i fotosintezës.

Duke imituar bimët

Në fotosintezën reale, bimët e gjelbra e përdorin klorofilin për të nxjerrë nga drita diellore energjinë që do t'u shërbejë atyre për të vënë në lëvizje një seri reaksionesh kimike komplekse për të transformuar ujin dhe anhidridin karbonik në karbohidrate me përmbajtje të lartë energjetike si amidet dhe sheqernat. Por ajo që mbi të gjitha u intereson kërkuesve është hapi i parë i procesit, në të cilin një kombinim proteinash dhe katalizatorësh inorganikë ndihmojnë që të shpërbëhet në mënyrë efikase uji në jone hidrogjeni dhe oksigjeni.

Sektori i fotosintezës artificiale është zhvilluar me shpejtësi. Në fillimin e viteve '70, një doktorant i Tokyo University, Akira Fujishima, dhe rehatuesi i tezës së tij, Kenichi Honda, kanë treguar se elektrodat e përbëra nga oksidi i titanit - një komponente e pigmentit të bardhë në pikturat e jashtme - qenë në gjendje ta shpërbënin lehtësisht ujin nëqoftëse ekspozoheshin ndaj një drite intensive, në 500 vat, të një llambe me ksenon. Zbulimi tregonte se drita mund të përdorej për ta ndarë ujin pa bimët. Në vitin 1974, Thomas Meyer, pedagog Kimie në University of North Carolina në Chapel Hill, demonstroi se një ngjyrosës me bazë ruteniumi, kur ekspozohej ndaj dritës, pësonte transformime kimike që i mundësonin të oksidonin ujin ose t'i merrnin elektronet, domethënë hapin e parë kyç në shpërbërjen e ujit.

Për përfundimisht asnjë teknikë nuk ka rezultuar fitimtare. Dyoksidi i titanit nuk arrinte të absorbonte mjaft dritë diellore dhe gjendja kimike e shkaktuar nga drita në ngjyrosësin e Meyer ishte tejet e papërfillshme për të qenë e dobishme. Por përparimet kanë stimuluar refleksionet e shkencëtarëve. "Mund të shikohej përpara duke ditur në çfarë drejtimi të shkohej dhe, të paktën nga pikëpamja teorike, të përputheshin të gjitha pjesët", shpjegon Meyer.

Në dekadat e mëpasme, shkencëtarët kanë studiuar strukturat dhe materialet e bimëve që absorbojnë dritën diellore dhe akumulojnë energjinë e saj. Studiuesit kishin vërejtur se bimët organizojnë koreografi të kujdesshme të lëvizjeve të molekulave të ujit, të elektroneve dhe të joneve të hidrogjenit, domethënë të protoneve. Por pjesa më e madhe e mekanizmit mbetej akoma e panjohur. Në vitin 2004, kërkuesit e Imperial College London kanë identifikuar strukturën e një grupi proteinash dhe metalesh që është vendimtar për të çliruar oksigjenin nga uji i bimëve. Këta shkencëtarë kanë treguar se në zemër të kompleksit katalitik gjendej një seri proteinash, atomesh oksigjeni dhe jonesh manganezi dhe kalciumi që ndërveprojnë me modalitete specifike.

"Falë këtij zbulimi qe e mundur të fillohej me punën tonë projektuese", shpjegon Nocera, i cili i kish studiuar me themel qysh nga viti 1984 proceset kimike që ndodhen pas fotosintezës. Duke lexuar këtë "tabelë rrugore", vazhdon Nocera, grupi i tij filloi që të menaxhojë protone dhe elektrone pak a shumë siç bëjnë bimët, por duke përdorur vetëm materiale inorganikë, më robustë dhe më të qëndrueshëm se proteinat.

Në fillim, Nocera ka shmangur të përballojë sfidën kryesore, domethënë të nxjerrë oksigjenin nga uji. Kurse "për t'u nxehur", filloi nga reaksioni i kundërt: kombinimi i oksigjenit, protonëve dhe elektroneve për të formuar ujin. Zbuloi kështu se disa përzierje komplekse të bazuara mbi kobaltin shtireshin si katalizatorët të mirë për këtë reaksion dhe, kur erdhi momenti për të provuar të ndante ujin, vendosi që të përdorë përzierje të ngjashme me kobalt.

Nocera e dinte se të punonte me këto përzierje në ujë mund të kishte problem, pasi që kobalti mund të tretej. Kështu që nuk qe çudi e madhe, thotë ai, të shikoje "në pak ditë se kobalti ndahej duke dalë nga përzierja e përpunuar që kishim prodhuar". Me dështimin e tentativave fillestare të tij, Nocera vendos të ndërmarrë një qëndrim të ndryshëm. Në vend që të përdorë një përzierje komplekse, verifikon aktivitetin katalitik të kobaltit të ndarë, me shtimin e disa fosfateve ujit për të ndihmuar reaksionin. "I kemi thënë vetes: Le t'i lëmë këto procedura të përpunuara dhe të përdorim drejtpërsëdrejt kobaltin", kujton ai.

Eksperimenti shkoi përtej parashikimeve optimiste të Nocera dhe të kolegëve të tij. Sapo i aplikohej korrenti një elektrode të zhytur në një solucion, kobalt e fosfat akumuloheshin sipër, duke formuar një membranë të vockël dhe një shtrat i dendur flluskash fillonte të formohej brenda pak minutash. Shqyrtime të mëtejshme kanë konfirmuar se flluskat qenë oksigjen i dalë nga shpërbërja e ujit. "Ishte fat", rrëfen Nocera. "Nuk kishim asnjë motiv për të theksuar se nga kobalti i thjeshtë me shtojcën e fosfatit, në ndryshim nga kobalti i futur në një prej komplekseve tanë, do të dilnin këto rezultate. Nuk mund ta parashikoja. Produkti që dilte nga përzierje ishte saktësisht ai që po kërkonim".

"Tani duam të kuptojmë", vazhdon Nocera. "Dua të di pse kobalti në këtë membranë të butë është kaq aktiv. Mund t'ia përmirësoj përfaqësimet apo të përdor një material më të mirë". Në të njëjtën kohë, Nocera dëshiron të fillojë të bashkëpunojë me inxhinierët për të optimizuar procesin dhe krijuar një qelizë efikase për ndarjen e ujit, e tillë që të inkorporojë katalizatorë për gjenerimin e oksigjenit dhe hidrogjenit. "Interesi ynë për shkencën bazë ka qenë gjithmonë i sinqertë. Jemi në gjendje t'i japim jetë një katalizatori që funksionon në mënyrë efikase duke replikuar procesin e fotosintezës? pyet Nocera. "Për momentin përgjigjja është pohuese, mund ta bëjmë. Kemi në dispozicion teknologjinë për të projektuar një qelizë".

Është momenti i debatit, përfshi kritikat

Zbulimi i Nocera ka tërhequr shumë vëmendje dhe, në të njëjtën kohë, kritika të shumta. Kimistë të ndryshëm i gjejnë pohimet e tij të ekzagjeruara. Nuk diskutojnë zbulimet e tij, por janë skeptikë lidhur me pasojat e mundshme shkencore të hipotezuara nga Nocera. "Pretendimi se bëhet fjalë për kalimin e vendimit drejt fotosintezës artificiale është më së paku ekstravagant", thekson Thomas Meyer, i cili ka qenë mësues për Nocera. Ai thotë se ndërsa katalizatorët e Nocera "përfaqësojnë një zhvillim teknologjik të rëndësishëm", progresi është "një fryt i kërkimit dhe në këtë rast nuk ka asnjë garanci për një zbatim të ardhshëm në shkallë të ngushtë apo të gjerë".

Objeksionet e shumë kritikëve sillen rreth paaftësisë së laboratorit të Nocera për ta ndarë ujin, në mënyrë po aq të shpejtë sa elektrokatalizatorët komercialë. Më i shpejtë sistemi, më e vogël duhet të jetë njësia komerciale për të prodhuar hidrogjen dhe oksigjen. Veç kësaj, në përgjithësi, sa më shumë sistemi është i vogël, aq më shumë është ekonomik.

Mënyra për të konfrontuar katalizatorë të ndryshëm është që të shikohet në "dendësinë e korrentit" të tyre - korrentin elektrik për centimetër katror - kur arrijnë efikasitetin maksimal. Sa më i lartë është korrenti, aq më shpejt katalizatori mund të prodhojë oksigjen. Nocera ka referuar rezultate prej 1 miliamper për centimetër katror, edhe pse pohon se ka arritur më pas 10 miliamperët. Elektrolizatorët komercialë përgjithësisht prodhojnë rreth 1000 miliamper për centimetër katror. "Ajo që ka botuar deri më tani nuk do të ishte mirë për një elektrolizator komercial, dendësia e korrentit në të cilin është midis 800 dhe 2000 herë më e madhe", pohon John Turner, një kërkues i National Renewable Energy Laboratory në Golden të shtetit Colorado.

Ekspertë të tjerë kritikojnë vetë parimin e konvertimit të dritës së Diellit në elektricitet, pastaj në një lëndë djegëse kimike dhe, së fundi, sërish në elektricitet. Ata theksojnë se, megjithëse duke magazinuar më pak energji se lëndët djegëse kimike, bateritë janë shumë më efikase sepse duke përdorur elektricitetin për të prodhuar lëndë djegëse që nga ana e tyre gjenerojnë elektricitet, humbet energji në çdo kalim. Do të ishte më mirë që t'i kushtohej vëmendje më e madhe përmirësimit të teknologjisë për bateritë apo formave të ngjashme të magazinimit elektrik në vend që të zhvillohen instrumente për të ndarë ujin dhe pila me lëndë djegëse, theksojnë kritikët. Siç thekson Ryan Wiser: "Elektroliza është (për momentin) jo efikase, pse të këmbëngulet?".

Gjethja artificiale

Gjithsesi, Michael Gratzel duket se e di me përsosmëri sesi të shfrytëzojë zbulimin e Nocera. Profesor Kimie dhe Inxhinierie Kimike në Ecole Polytechnique Federale të Losanna, Gratzel ka qenë një prej njerëzit e parë me të cilin Nocera ka folur për katalizatorin e tij të ri. "Ishte shumë entuziast", kujton Gratzel. "Më ka çuar në një restorant dhe ka blerë një shishe verë shumë të shtrenjtë".

Në vitin 1991 Gratzel ka krijuar një tip të ri premtues qelize diellore, që përdor një ngjyrosës si ruteniumi, sjellja e të cilit të kujton atë të klorofilës në një bimë, duke thithur dritën dhe duke lëshuar elektrone. Megjithatë, në qelizën diellore të Gratzel, elektronet nuk i japin jetë një reaksioni ndarës të ujit, por mblidhen nga një membranë prej dioksidi titani dhe drejtohen në një qark të jashtëm, duke gjeneruar elektricitet. Gratzel mendon tani të integrojë qelizën e tij diellore dhe katalizatorin e Nocera në një aparat të vetëm që kap energjinë e dritës diellore dhe e përdor për të ndarë ujin.

Nëqoftëse ka të drejtë, do të bëhet fjalë për një hap domethënës drejt prodhimit të një aparati që, për shumë aspekte, të kujton nga afër një gjethe. Ideja është që ngjyrosësi i Gratzel të zërë vendin e eletrodës mbi të cilin katalizatori formohet në sistemin e Nocera. Vetë ngjyrosësi, nëqoftëse ekspozohet ndaj dritës, mund të gjenerojë korrentin e nevojshëm për të vënë së bashku katalizatorin. "Ngjyrosësi vepron si një kavo molekulare që largon ngarkesat", thotë Gratzel. Pastaj katalizatori grumbullohet ku është e nevojshme, saktësisht mbi ngjyrosës.

Sapo është formuar katalizatori, drita diellore e thithur nga ngjyrosësi kryen reaksionet që ndajnë ujin. Gratzel thekson se aparati do të jetë më efiçent dhe më ekonomik respektivisht panelit diellor dhe elektrolizatorit të përdorur veçmas.

Një mundësi tjetër që Nocera është duke thelluar është përdorimi i mundshëm i katalizatorit të tij për të ndarë ujin e detit. Testimet e para në prani të kripës kanë qenë pozitivë dhe tani po verifikohen reaksionet ndaj përzierjeve të tjera që gjenden në det. Nëqoftëse do të funksionojë, sistemi i Nocera mund të kontribuojë të përballohet jo vetëm kriza energjetike, por edhe problemi i mungesës në rritje i ujit të ëmbël.

Gjethet artificiale dhe sistemet e shkripëzimit për prodhimin e lëndëve djegëse mund të tingëllojnë si tejet ambicioze, por shumë shkencëtarë e mendojnë ndryshe; kimistët në kërkim teknologjish energjetike të reja janë tallur për dekada të tëra për faktin se bimët e shfrytëzojnë lehtësisht dritën diellore për të transformuar sasi të mëdha materiali në molekula me përmbajtje të lartë energjetike. "Shikojmë atë që ndodh rreth nesh, por nuk arrijmë ta replikojmë", shpjegon Paul Alivisatos, pedagog Kimie dhe Shkencës së Materialeve në Berkeley, i cili po çon përpara një kërkim në Lawrence Berkeley National Laboratory për të replikuar procesin e fotosintezës me instrumente kimike.

Por shpejt, duke imituar proceset natyrore, njeriu mund ta përdorë Diellin "për të transformuar një gotë uji në lëndë djegëse", siç thekson Nocera. Kjo ide ka në vetvete një domethënie të thellë, të cilën çdo kimist e ndan pa mëdyshje dhe i hap rrugën një seri risish, që secili prej nesh nuk mund të bëjë gjë tjetër veçse t'i çmojë.

(Technology Review)

Përgatiti

ARMIN TIRANA

Google+ Followers