'Syntetiske' Blade: Fremtidens Energiplanter? (Kavli Roundtable)

{h1}

Ved at smelte nanodråber med bakterier, forvandler forskerne sollys til flydende brændstof. I den seneste rundbord fra kavli afslører tre pionerer i kunstig fotosyntese, hvordan denne nye teknologi kan blive fremtidens strømkilde.

Alan Brown, forfatter og blogger for The Kavli Foundation bidrog denne artikel til WordsSideKick.com's Ekspert stemmer: Op-Ed & Insights.

Forestil dig at bruge planter til at dyrke naturgassen, der opvarmer boliger og benzin, der driver biler. Folk kunne gemme den denne form for solenergi i bilernes brændstoftanke, distribuere den gennem rørledninger og købe den i benzinstationer. Og alle kunne bruge det uden at tilføje et enkelt molekyle af drivhusgaskulldioxid (CO2) til atmosfæren.

Grønne planter og nogle bakterier gør det grundlæggende hver dag gennem fotosyntese, der gør vand og kuldioxid til sukker. Sukker er et organisk brændstof, der gemmer solens energi til planter at bruge om natten, eller når de våger bladløse om foråret. Men formoder, at ingeniører kunne tilpasse denne naturlige proces til at producere naturgas eller benzin?

Fremskridt inden for nanovidenskab bringer denne vision hurtigt til virkeligheden. I et nyligt udgivet papir i Nano Letters, Peidong Yang, meddirektør for Kavli Energy NanoSciences Institute og professor i kemi ved University of California, Berkeley, ledede et hold, der opnåede syntetisk fotosyntese ved at kombinere nanoskala halvledere og genetisk modificerede bakterier.

Ved at gifte sig med nanovidenskab og biologi skabte Yang og hans kolleger et biologisk inspireret, men helt kunstigt system, der konverterer solens stråler til brændstof og kemikalier. Systemet bruger lange nanoskala filamenter til at dreje sollys til elektroner, hvilke bakterier bruger til at omdanne kuldioxid og vand til butanolbrændstof og mere komplekse molekyler som acetat, en kemisk byggesten og amorphadien, som bruges til at fremstille antimalariale lægemidler.

I løbet af august brugte Yangs team en lignende tilgang til at gøre methan, den vigtigste komponent af naturgas. Det brugte nanotråder til at opdele vand i ilt og brint og hydrogenbevidste bakterier til at omdanne CO2 til methan.

Kavli Foundation inviterede tre ledende forskere til at diskutere denne lovende teknologi, de vejspærringer, der forbliver før det bliver almindeligt, og hvordan videnskaben kan lære af naturens geni.

Deltagerne var:

Peidong Yang, co-direktør for Kavli Energy NanoScience Institute ved Berkeley National Laboratory og en professor i kemi ved University of California, Berkeley. Yang fungerer som direktør for California Research Alliance af BASF og var stifter af US Department of Energy (DOE) Fælles Center for Kunstig Fotosyntese (JCAP).

Thomas Moore er professor i kemi og biokemi og tidligere direktør for Center for Bioenergi & Fotosyntese ved Arizona State University. Han er en tidligere præsident for American Society for Photobiology og en holdleder på DOE Center for Bio-inspireret Solbrændstofproduktion.

Ted Sargent er professor i elektroteknologi og computerteknik ved universitetet i toronto hvor han er formand for nanoteknologi og vicegeneral for forskning til fakultetet for anvendt teknik og teknik. Han er også grundlæggeren af ​​to nanoteknologibedrifter: InVisage Technologies og Xagenic.

Fra venstre til højre, Ted Sargent (høflighed University of Toronto Engineering), Peidong Yang (høflighed University of California, Berkeley) og Thomas Moore (høflighed Tom Story, Arizona State University).

Fra venstre til højre, Ted Sargent (høflighed University of Toronto Engineering), Peidong Yang (høflighed University of California, Berkeley) og Thomas Moore (høflighed Tom Story, Arizona State University).

Følgende er et redigeret transkript af deres rundbordsdiskussion. Deltagerne har haft mulighed for at ændre eller redigere deres bemærkninger.

TKF: Solceller gør et godt stykke arbejde med at omdanne sollys til elektricitet. Konvertering af lys til brændstof virker langt mere kompliceret. Hvorfor gå igennem forstyrrelsen?

Thomas Moore: Det er et godt spørgsmål. For at skabe bæredygtige, soldrevne samfund har vi brug for en måde at lagre solenergi på. Med solceller kan vi lave elektricitet effektivt, men vi kan ikke gemme den elektricitet bekvemt, når den er overskyet - eller om natten. Hvis vi vil lagre store mængder energi, skal vi opbevare den som kemisk energi, den måde, den er låst op i kul, olie, naturgas, brint og biomasse.

Peidong Yang: Jeg er enig. Måske, en dag vil forskere komme op med et effektivt batteri til at lagre fotoelektrisk energi produceret af solceller. Men fotosyntese kan løse energikonvertering og opbevaring problem i et trin. Det konverterer og lagrer solenergi i de kemiske bindinger af organiske molekyler.

Ted Sargent: En stor del af klodens kraftinfrastruktur - fra biler, lastbiler og fly til gasfyrede elektriske generatorer - er bygget på carbonbaserede fossile brændstoffer. Så der skabes en ny teknologi, der kan generere flydende brændstoffer, der kan bruge denne infrastruktur, er en meget stærk konkurrencefordel for en vedvarende energiteknologi.

Også vores energibehov ændres med årstiderne. Her i Canada opvarmer man op energiforbruget om vinteren. Måske kunne vi opbygge et batteri for at opbevare nok energi til at varme vores hjem natten over, men den større langsigtede udfordring er at gemme energi, vi fanger om sommeren, og bruge den til at varme vores nation på 35 millioner mennesker om vinteren.

Den bemærkelsesværdige energitæthed af fossile brændstoffer, som alle lagrer energi skabt af gammel fotosyntese, gør det muligt.Så mens konvertering af sollys til brændstoffer altid vil have en højere energikoste end at lave elektricitet, er flydende brændstoffer en markant højere værdi, fordi de kan opfylde sæsonforskelle mellem udbud og efterspørgsel af vedvarende energikilder.

Og endelig er syntetisk fotosyntese en carbon-neutral løsning, fordi vi tager et CO2-molekyle ud af atmosfæren for hvert CO2-molekyle, som vi vender tilbage under forbrændingen.

T.M.: Som Ted impliceret er drivkraften bag dette, at den globale kulstofcyklus er helt ude af kontrol. Brændende fossile brændstoffer sætter CO2 i atmosfæren meget hurtigere end fotosyntese kan tage det ud. Et system, der trækker hvert kulstof [atom], som vi brænder ud af luften og omdanner det til brændstof, er virkelig kulstofneutralt.

[Atmosfæriske] CO2-niveauer oversteg 400 dele pr. Million i år. Hvis de når 500 eller 600 dele pr. Million, vil miljøbelastningen være alvorlig. Vi skal bruge en form for kulstofopsamling og -opbevaring. Dette fører direkte ind i Peidongs system, fordi det kunne fjerne rigelige mængder CO2 fra atmosfæren, bruge noget til brændstof og gøre kulstofarter ud af overskuddet. På den måde kan det reducere atmosfærisk CO2 til præindustrielle niveauer.

TKF: Professor Yang, du lavede et fotosyntese system, der er halv syntetisk og halvt naturligt. Hvad gav dig ideen?

P.Y.: Historien starter for mere end 10 år siden, da Berkeley udviklede en fuldt integreret sol-til-brændstof generator. Vi forsøgte at efterligne, hvad der foregår i naturlig fotosyntese.

Vi brugte halvledere til at fange solenergi og generere strøm. Vi brugte strøm til at aktivere to katalysatorer - materialer, der fremskynder kemiske reaktioner uden faktisk at deltage i dem. En katalysator reducerede eller tilføjede elektroner til CO2, og den anden oxiderede [tog elektroner fra] vand for at fremstille oxygen, hvilket er hvad der sker i naturlig fotosyntese. De syntetiske CO2-katalysatorer var problemet, fordi de simpelthen ikke var meget effektive.

Så for omkring fem år siden besluttede vi at prøve at bruge naturen til at spille rollen som disse CO2-katalysatorer. Nogle bakterier, som f.eks Sporomusa ovata (S. ovata) faktisk har evnen til at reducere CO2 med meget, meget høj selektivitet, hvilket betyder at de leverer elektroner til CO2 for at lave et specifikt organisk molekyle og intet andet.

I vores system bruger vi stadig uorganiske materialer til at fange sollys og generere elektroner. Men vi sender elektronerne til S. ovata, som bruger dem til at gøre CO2 til acetat, et mere komplekst molekyle. Så bruger vi en anden bakterie, Escherichia coli (E coli) for at gøre acetat til mere komplekse kemikalier.

Ted Sargents seneste arbejde ved University of Toronto søger at sætte nye optegnelser for LED effektivitet ved at indlejre kvantepunkter i keramik, der har meget få fejl (hvilket kunne hæmme elektronernes bevægelse i materialet).

Ted Sargents seneste arbejde ved University of Toronto søger at sætte nye optegnelser for LED effektivitet ved at indlejre kvantepunkter i keramik, der har meget få fejl (hvilket kunne hæmme elektronernes bevægelse i materialet).

Kredit: University of Toronto Engineering / Ella Marusjtsjenko

TKF: Tror du, at denne type hybrid system - en kombination af syntetiske lysomformere og naturlige katalysatorer - er fremtiden?

P.Y.: Ærligt, jeg er ikke så sikker på, at dette er den bedste måde at skabe et kunstigt fotosyntese system på.

Vi er gode til at generere elektroner fra lys effektivt, men kemisk syntese begrænser altid vores systemer i fortiden. Et formål med dette forsøg var at vise, at vi kunne integrere bakteriekatalysatorer med halvlederteknologi. Dette lader os forstå og optimere et virkelig syntetisk fotosyntese system.

I sidste ende vil vi gerne tage det, vi lærer og udvikle en syntetisk katalysator med præstationer svarende til bakterierne. Det ville lade os sammensætte en meget mere robust, fuldt integreret sol-til-brændstof generator. I mellemtiden er vores nuværende tilgang et mellemliggende trin, der lader os lære om kunstig fotosyntese på nye måder.

T. S.: Peidongs ret til at sætte fokus på netop dette spørgsmål: Hvad kan biologi lære os om at lave brændstoffer? Hans model system gør det muligt at udforske nogle virkelig vigtige fysik og kemi. Det handler ikke om at efterligne naturen direkte eller bogstaveligt. I stedet handler det om at lære naturens retningslinjer, dens regler om hvordan man laver en overbevisende effektiv og selektiv katalysator, og derefter bruge disse indsigter til at skabe bedre udviklede løsninger.

TKF: Er der en måde at skabe den type syntetiske katalysatorer, professor Yang forestiller sig på?

T.S.: Naturen har fundet ud af effektive CO2-til-flydende brændstofkatalysatorer. Vi har endnu ikke formået at gøre det. Navnlig, som Peidong bemærkede, har vi brug for høj selektivitet for at gøre det produkt vi ønsker uden uønskede biprodukter. Vi har også brug for katalysatorer, der hurtigt konverterer kemikalier, og uden at vi betaler en energistraf for deres høje gennemstrømning. Endelig bygger naturen katalysatorer ved hjælp af rigelige materialer. På alle disse fronter har naturen os slog. Men det er også spændende, fordi naturen viser, at det er muligt. Dette er et problem, der er løst før.

T.M.: Det er meget gode punkter. Naturens katalysatorer er bemærkelsesværdige af en række årsager. De selvmonterer, og naturen reparerer enhver skade på dem. De bruger altid rigelige materialer, fordi naturen ikke går i stykker med noget, der er sjældent eller dyrt. De arbejder altid ved omgivende temperaturer.

Som Ted sagde, kræver naturens katalysatorer ikke meget overskydende energi. Når kemikere ønsker en kemisk reaktion at gå hurtigere, opvarmer vi det op eller anvender mere spænding. Naturen havde ikke nogen mulighed, så det var nødt til at løse problemet ved at finde en lav-energi vej.

Igen, som Ted og Peidong nævnte, er selektivitet meget vigtigt.Vores industrisamfund udbreder masser af energi, der adskiller ønskede kemikalier fra alle de andre uønskede vi gør undervejs. Naturen gør hvad det vil, og det er næsten altid rent.

Naturen viser, at det er muligt, men vi er stadig en vej væk fra naturens katalytiske dygtighed. Men Peidongs arbejde fastslår, at teknologi og natur kan fungere sammen.

TKF: Lad mig vende tilbage til noget Professor Yang nævnt tidligere. Dit system fremstiller et kemikalie kaldet acetat. Hvorfor er det vigtigt?

P.Y.: CO2 har et carbonatom, så det er relativt nemt at lave et kemikalie med et carbonatom fra CO2. Men det er meget mere ønskeligt - og svært - at skabe et kemikalie med mere end et carbonatom. Acetat har to carbonatomer, og vores hybridsystem viser, at vi kan skabe et molekyle som dette.

Mens acetat ikke nødvendigvis er vores mest ønskede slutprodukt, er det en fælles byggesten i biosyntese. I vores undersøgelse blev min Berkeley-samarbejdspartner, Michelle Chang, genetisk modificeret E coli at omdanne acetat til mere interessante kemikalier, såsom butanolbrændstof, bionedbrydelige polymerer og lægemiddelprecursorer.

Hvis vi kunne designe en syntetisk katalysator, der gjorde denne form for carbon-carbon-kobling ved stuetemperatur og tryk, ville det være fantastisk. Men vi ved ikke, hvordan vi gør det endnu.

T.M.: Jeg tror, ​​at Peidong er lidt beskeden over at gøre acetater. Jeg mener, at hvis du går fra CO2 til acetat, er al den tunge løft allerede færdig. Du har produceret en carbon-carbon-binding.

TKF: Hvorfor er det så vigtigt?

T.M.: Fordi to-carbon-enheden er det grundlæggende råmateriale til et helt rod på forskellige metaboliske veje. For eksempel, når vores krop omsætter de fedtsyrer vi spiser, hugger den dem op i to-carbon-enheder. Fra disse to-carbon-enheder gør det alt, hvad den har brug for. Så carbon-carbon-enheder er meget vigtige i stofskiftet, meget mere almindeligt end enkeltkollegenheder.

TKF: Så acetat er en god byggesten?

T.M.: Ja, og der er organismer, der ville elske at bygge med det. Og da vi lærer mere, kan vi bruge denne viden til at skabe syntetiske katalysatorer til at gøre butanol, benzin, længerekædede carbonhydrider - det er alt termodynamisk muligt, når du får acetat. Så det er en big deal.

T.S.: Det er især for brændstoffer.

TKF: Professor Yang, et af de usædvanlige aspekter af dit hybridsystem er, at det bruger nanotråder til at konvertere lys til elektroner. Hvorfor bruge nanotråde i stedet for mere konventionelle solpaneler?

P.Y.: Det drejer sig om det centrale krav til det oprindelige design: Vi ønsker overførselselektroner fra vores halvledere til vores S. ovata bakterier, der fungerer som vores CO2-katalysatorer. For at gøre det, ønsker vi det højest mulige overfladeareal, så vi sætter flere bakterier i kontakt med halvlederne og reducerer mere CO2. Nanodyr gør det fordi de strækker sig opad som træer. De skaber en skov, og du kan presse meget flere bakterier ind i en tredimensionel skov end på en todimensionel flad overflade.

En scanning elektron mikrografi fra University of California, Berkeley, nanowire-bakterier array, hvor bakterier bruger elektroner fra nanotråder til at gøre kuldioxid til brændstof og kemiske mellemprodukter.

En scanning elektron mikrografi fra University of California, Berkeley, nanowire-bakterier array, hvor bakterier bruger elektroner fra nanotråder til at gøre kuldioxid til brændstof og kemiske mellemprodukter.

Kredit: University of California, Berkeley

TKF: Og det skal ske i væske?

P.Y.: Ja. Vi gør denne kemi i vand, hvor bakterierne lever.

T.S.: Peidong har været pioner i nanodråber i mere end et årti. Hans evne til at dyrke høje, tynde nanotråder er en meget kraftfuld teknologi, der gør tæt bakteriel vækst mulig. Det er den grundlæggende grund til, at dette system kan overføre det rigtige antal elektroner pr. Sekund til det rigtige antal bakterier.

T.M.: Katalysatorer, som medierer kemiske reaktioner, fungerer generelt mere effektivt, når vi ikke forsøger at skynde dem. Så jo mere volumen disse nanotråder skaber, desto flere bakterier kan vi passe ind. Så selvom hver bakteriekatalysator reagerer langsomt, kan du stadig have en masse udgang uden at lægge meget energi på. Og det er hele boldspil - brug mindre strøm til at få mere produkt.

TKF: Jeg tænkte aldrig på bakterier som absorberende elektroner. Hvordan gør de det?

T.M.: Alle levende ting tager i elektroner som en del af de molekyler, de indtager og metaboliserer for at udvinde energi. Vi har nu lært, at visse bakterier faktisk kan samle elektroner gennem specialiserede trådlignende strukturer kaldet pili, der når ud gennem deres membraner. Disse pili kunne spille en central rolle i grænsefladen mellem teknologi og biologi.

Peidong, hvordan kom elektronerne ind i bakterierne?

P.Y.: Baseret på tidlige studier, S. ovata absorbere elektroner direkte fra nanotråderne, snarere end gennem en kemisk mediator. Faktisk er der en række bakterier, der kan gøre dette rutinemæssigt.

T.M.: Absolut. De gør bare hvad livet gør, tager i energiske elektroner, giver dem ilt eller en anden elektronacceptor og udvinder energiforskellen mellem disse to processer for at holde sig i live.

TKF: Skal du genetisk modificere Sporomusa for at gøre det?

P.Y.: S. S. ovata, den bakteriestamme, vi bruger, har bare den fantastiske evne til at absorbere elektroner og bruge dem til at behandle carbondioxid i acetat.

TKF: Så hvad med at generere brændstof? På nuværende tidspunkt transformerer S. ovata elektroner til acetat, og E coli omdanner det til butanol eller noget andet. Tror du, du kunne gøre dette i et trin?

P.Y.: Jeg ville antage det, okay, Tom?

T.M.: Jo da. De måder, hvorpå vi kan bruge syntetisk biologi til at genforbedre tingene, er næsten ufattelig.Allerede har Pete Schultz hos Scripps Research Institute bakterier, der kører på 21 aminosyrer, hvoraf den ene er helt ny. Bakterierne er programmeret med alt det genetiske materiale og de oplysninger, der er nødvendige for at kopiere denne unaturlige aminosyre og inkludere den som en del af dets metabolisme. Og lige der i Berkeley har du Jay Keasling. Han har bakterier, der kan gøre næsten alt fra acetat.

TKF: Professor Yang, kunne vi nogensinde gøre dit system effektivt og kompakt nok til at bruge industrielt?

P.Y.: I princippet er det i stand til at opskalere. Men vi ville have brug for at øge effektiviteten fra solen til brændstof med 5 til 10 procent, før vi kunne tænke på kommerciel levedygtighed.

TKF: Denne konverteringsfrekvens lyder ikke meget højt. Hvordan sammenligner det med omregningskursen for naturlige planter og bakterier?

P.Y.: Faktisk er effektiviteten i grønne planter ret lav, typisk under 1 procent.

T.M.: Ja, mindre end 1 procent af den gennemsnitlige årlige solenergi, der falder på et afgrødeområde, bevares og opbevares som kemisk energi. Det er langt lavere end kommercielt tilgængelige solceller, der producerer elektrisk energi med 20 procent eller bedre effektivitet, men solceller kan ikke opbevare deres energi.

P.Y.: Sandt og ved at kombinere det bedste af teknologi og biologi kan vi gøre noget, der ligner naturlig fotosyntese, men potentielt med langt højere effektivitet.

TKF: Ja, vi har snakket meget om at lære fra naturen. Har vi de rigtige værktøjer til at gøre dette?

T.M.: Vi har brug for alle de værktøjer, vi kan få. Vi skal omlægge os selv til grundforskning.

T.S.: Jeg er med Tom. Vi har brug for flere værktøjer, og disse værktøjer kommer fra grundvidenskaben. Lad mig nævne en, der virkelig spænder mig. Beregningsmodeller, der lader os forstå og forudsige de energiske tilstande og reaktiviteter af molekyler, materialer og katalysatorer.

Det er et værktøj, der bringer sammen forskere, der helt ærligt har svært ved at tale med hinanden. I et rum af mennesker, der studerer enzymer - proteiner, der tjener til naturens katalysatorer - og mennesker, som forsker syntetiske heterogene katalysatorer, er systemerne så forskellige, det kan være svært at vide, hvor man skal starte samtalen. Computational material science hjælper os med at lære af hinanden om, hvordan naturens katalysatorer adskiller sig fra dem, vi opbygger kunstigt.

T.M.: Jeg er helt enig. Kun få punkter i en kemisk reaktion er faktisk observerbare eksperimentelt, nogle gange meget få. Modeller hjælper os med at forstå disse reaktioner, og hvordan man kan flytte atomer og elektroner over de lave energikanaler gennem disse højergibølger. Det har åbnet alle slags døre allerede.

Hvis du er en aktuel ekspert - forsker, virksomhedsleder, forfatter eller innovatør - og gerne vil bidrage med et op-ed-stykke, mail os her.

Hvis du er en aktuel ekspert - forsker, virksomhedsleder, forfatter eller innovatør - og gerne vil bidrage med et op-ed-stykke, mail os her.

P.Y.: Jeg er helt enig. For at komme med bedre syntetiske katalysatorer skal vi lære af naturen på atom- og molekylær skala. Så det er meget vigtigt for forskere fra forskellige forskningsmiljøer at komme sammen, tale med hinanden og udveksle ideer.

TKF: Så hvad tror du, du vil arbejde på og gøre i fem år?

P.Y.: Jeg tror, ​​jeg vil forsøge at forbedre vores bakteriers effektivitet og række kemikalier, de producerer. Endnu vigtigere er jeg meget, meget interesseret i at lære, hvordan disse bakterier behandler CO2. Forhåbentlig kan vi lære af deres design og udvikle syntetiske katalysatorer med anstændig selektivitet, aktivitet og energieffektivitet.

T.S.: Jeg vil ikke gentage, hvad Peidong netop sagde, men jeg vil fordi han virkelig satser på kernen i det vigtigste problem ved at lære fra naturen. Og jeg vil tilføje et ekstra problem, som jeg er meget begejstret for at studere. Selv om vi er mere avancerede end naturen på lyshøstningssiden, har vi stadig meget at lære om, hvordan man kan manipulere elektroner i vores systemer.

Vi skal også lære at lave lyshøstesystemer fra materialer, der ikke er dyre, giftige eller energiintensive. Naturen syntetiserer disse materialer ved stuetemperatur med meget lave energikostnader, og de bruger sammenhængseffekter til at bevæge energi effektivt over lange afstande til centre, hvor reaktioner finder sted. Jeg er meget spændt på at arbejde på robust, biologisk inspireret energitransport.

T.M.: Det er dybe mål. Jeg er ikke sikker på, hvad jeg skal gøre om fem år. Jeg vil følge, hvad Ted og Peidong gør, og jeg er sikker på, at deres opdagelser får mig til at tænke på ting på nye måder. Ud over det er jeg sikker på, at jeg vil finde nogle nye grundlæggende problemer at arbejde på, og jeg håber, at arbejdet vil være nyttigt.

Følg alle spørgsmålene og debatterne fra Expert Voices - og blive en del af diskussionen - på Facebook, Twitter og Google+. Synspunkterne er de af forfatteren og afspejler ikke nødvendigvis udgiverens synspunkter. Denne version af artiklen blev oprindeligt udgivet på WordsSideKick.com.


Video Supplement: .




DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com