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太陽を吸収する:人工光合成は、クリーンで持続可能なエネルギー源を約束します

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人間は植物ができないことをたくさんすることができます。 私たちは歩き回ったり、話したり、聞いたり、見たり、触れたりすることができます。 しかし、植物には人間に勝る大きな利点がXNUMXつあります。それは、太陽から直接エネルギーを生み出すことができるということです。

太陽光を直接使用可能なエネルギーに変えるプロセス(光合成と呼ばれる)は、人間が太陽のエネルギーを利用してクリーンで保存可能で効率的な燃料を利用することを模倣できるようになるかもしれません。 もしそうなら、それはクリーンエネルギーの全く新しいフロンティアを開くことができます。 十分なエネルギーがXNUMX時間で太陽光の形で地球に当たり、XNUMX年間のすべての人類の文明のエネルギー需要を満たすことができます。

生物物理学者であり、パデュー大学の理学部の物理学教授であるユリア・プスカールは、植物を模倣することでそのエネルギーを利用する方法を持っているかもしれません。

太陽光発電セルによって利用される風力と太陽エネルギーは、利用可能なクリーンエネルギーのXNUMXつの主要な形態です。 XNUMX番目の人工光合成を追加すると、再生可能エネルギーの展望が劇的に変化します。 かさばるバッテリーを必要とせずにエネルギーを簡単に蓄える能力は、社会にクリーンかつ効率的に電力を供給する人間の能力を劇的に向上させるでしょう。

風力タービンと太陽光発電はどちらも、環境への影響と複雑な要因の点で欠点があります。 Pushkarは、人工光合成がこれらの落とし穴を回避できるかもしれないことを望んでいます。

「私たちと世界中の他の研究者は、アクセス可能なエネルギーを考え出すために信じられないほど一生懸命働いています」とプシュカーは言いました。 「無毒で簡単に入手できる要素で作り出すことができる、クリーンで持続可能なエネルギー。 私たちの人工光合成は前進の道です。」

光合成は、植物が太陽の輝きと水分子をブドウ糖の形で使用可能なエネルギーに変換するプロセスの複雑なダンスです。 これを行うために、彼らは色素、通常は有名な葉緑素、ならびにタンパク質、酵素、および金属を使用します。

今日、人間が人工光合成に最も近いプロセスは、太陽電池が太陽のエネルギーを電気に変換する太陽光発電技術です。 そのプロセスは有名に非効率的であり、太陽のエネルギーの約20%しか取り込むことができません。 一方、光合成は根本的に効率的です。 太陽のエネルギーの60%を化学エネルギーとして関連する生体分子に蓄えることができます。

単純な太陽電池(ソーラーパネル)の効率は、光エネルギーを吸収する半導体の能力と、電力を生成するセルの能力によって制限されます。 その限界は、科学者が人工光合成で超えることができるものです。

「人工光合成では、基本的な物理的制限はありません」とプシュカー氏は述べています。 「私たちはすでに自然光合成の先例を持っているので、60%効率のシステムを非常に簡単に想像することができます。 そして、私たちが非常に野心的になれば、最大80%の効率のシステムを想像することさえできます。

「光合成は、人工光合成の最初のステップである水を分解することになると、非常に効率的です。 植物の光化学系IIタンパク質は、これをXNUMX秒間にXNUMX回行います。 まばたきすれば完了です。」

Pushkarのグループは、光を集めて水分子を分解して水素を生成する独自の人工葉アナログを構築することで、このプロセスを模倣しています。 水素は、燃料電池を介して単独で燃料として使用したり、天然ガスなどの他の燃料に追加したり、燃料電池に組み込んで、車両から住宅、小型の電子機器、研究所、病院まであらゆるものに電力を供給することができます。 彼女の最新の発見、光合成中に水分子が分裂する方法への洞察は、最近ジャーナルに掲載されました 化学触媒作用:セルプレス。

プシュカルの研究室の科学者たちは、自然光化学系IIタンパク質と合成触媒の組み合わせを使って、何が最も効果的か、そしてその理由を理解しようと試みています。 彼女はまた、地球上に容易に豊富に存在し、容易にアクセスでき、地球に無毒である化合物や化学物質の使用を優先しています。

人工光合成の進歩は複雑ですが、光合成が非常に多面的であるという事実によって、世界中の生化学の学生が嘆いている事実です。

「反応は非常に複雑です」とPushkarは言いました。 「水分子を分割する化学は非常に複雑で困難です。」

科学者たちは1970年代から人工光合成に取り組んできました。 それは長い時間ですが、光合成が進化するのに何百万年もかかったことを覚えているときはそうではありません。 それだけでなく、科学者たちは、飛行、通信、知性とは異なり、光合成は一度だけ進化したと信じています–約3億年前、地球の存在にたった約1.5億年。

Pushkarは、今後10〜15年以内に、商用の人工光合成システムがオンラインになり始めるのに十分な進歩が見られると考えています。 彼女の研究は国立科学財団によって資金提供されています。

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出典:https://bioengineer.org/soaking-up-the-sun-artificial-photosynthesis-promises-clean-sustainable-source-of-energy/

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