Ett team av kinesiska forskare har utvecklat en artificiell fotosyntesenhet som självständigt kan spåra ljuskällor.
Det sägs ofta att naturen är vis. Det är därför som forskare över hela världen, inklusive Spanien, i årtionden har ägnat sig åt biomimik, en metod där man imiterar strategier och komponenter som används av levande organismer för att efterlikna deras anpassning till olika scenarier. I det avseendet har växter och alger mycket att lära oss, särskilt när det gäller omvandlingen av solljus till energi genom fotosyntesen.
Försöken att skapa artificiella blad som kan reproducera denna process går långt tillbaka i tiden, men det är först på senare år som man har gjort tillräckliga framsteg för att kunna erbjuda ett gångbart alternativ till andra metoder för att utvinna ren energi. Nu har ett team av forskare från flera kinesiska universitet lyckats återskapa solspårningen hos en art av vattenväxter. Målet? Att göra konstgjorda blad som kan förbättra sin effektivitet när det gäller att spjälka vatten till syre och väte med upp till 866%.
Nyckeln är vinkeln på solinstrålningen, som kan utlösa energiproduktion i både konventionella solpaneler och dessa sofistikerade konstgjorda blad. Det är därför det finns solföljare, apparater som flyttar och lutar solpaneler så att de förblir vinkelräta mot solens strålar, och det är därför den här forskargruppen har inspirerats av micranthemum glomeratum, en vattenväxt från Nordamerika, för att utveckla en apparat som efterliknar dess förmåga att orientera sig mot solen.
Konstgjorda blad
Experiment med artificiell fotosyntes är varken nya eller sentida. År 1912 var Giacomo Ciamician först med att utnyttja solenergi för att driva kemiska reaktioner, men mer än ett sekel senare utvecklas och förbättras fortfarande apparater som kan efterlikna växter för att producera bland annat grönt bränsle.
Det första kiselbaserade artificiella bladet kom 2012, men det hade samma problem som de solpaneler som installeras på hustaken: det var statiskt och anpassade sig inte till solens bana, som varierar beroende på latitud, årstid och tid på dygnet. Solföljare kan vara ett alternativ, men de är beroende av datorer och tunga motorer för att fungera, vilket innebär att de har sina egna energikostnader och ökar kostnaden för helheten.
Problemet kan komma att lösas tidigare än man tidigare trott, och nyckeln kan ligga i micranthemum glomeratum. Denna art, med sina små blad och flexibla stjälkar, lyckas upprätthålla optimal energiskörd genom att finjustera sin position när solen rör sig.
I en artikel som publicerats i Advanced Functional Materials beskriver de åtta medlemmarna i ett tvärvetenskapligt team i detalj processen med att designa och utveckla ett konstgjort blad som liknar vattenväxtens blad. ”Inspirerat av viktiga strukturer hos vattenväxter, såsom cytoplasma, kloroplaster och bladskaft, innehåller detta arbete en innovativ design med lätta PEC-elektroder, skyddande hydrogelskikt, integrerade med ljuskänsliga hydrogelkompositer som stöd- och aktiveringselement”, står det i studien.
För att uppnå denna adaptiva mekanism har de kombinerat flexibla, soldrivna elektroder med ett skyddande gelskikt. För stödstrukturen, som orienterar bladen mot solljuset, har de använt kolnanorör och integrerat dem i en temperaturkänslig polymer.
När stödet utsätts för solljus värms nanorören upp, vilket gör att polymeren drar ihop sig på den belysta sidan och expanderar på den skuggade sidan. Detta är det optimala och mest effektiva sättet att få stödet att röra sig så att de konstgjorda bladen alltid är riktade mot ljuskällan.
Nya tekniker och experiment
Det var inte lätt att komma dit. Forskarna ställdes inför många utmaningar, t.ex. att utveckla en ny tillverkningsteknik för att deponera fotoaktiva material på lättviktsplast i stället för glas. Den genomskinliga hydrogelbeläggningen som skyddar enhetens komponenter var också en egen utveckling, utformad för att efterlikna cytoplasman i växtceller.
Efter att ha utsatts för en krävande experimentomgång var resultaten överraskande. Jämfört med fasta alternativ uppnådde det konstgjorda blad som skapats av teamet under ledning av kemisten Zhongjie Huang 47% högre effektivitet när det gällde att dela upp vatten i dess grundläggande komponenter i en 45-graders vinkel. När lutningen ökades till 90 grader steg effektiviteten till 866%.
”Till skillnad från traditionella stela system öppnar detta arbete upp nya vägar för utveckling av smarta, programmerbara solenheter som kan anpassa sig till varierande miljöer, vilket banar väg för adaptiv grön energiteknik och självförsörjande energiproduktion”, säger de som ligger bakom forskningen.
Även om testerna gav en mycket lovande bild återstår ett antal utmaningar som måste lösas innan dessa enheter kan användas i verkliga miljöer. En av de mest komplexa är stödstrukturens avtagande prestanda efter flera cykler, vilket innebär en ökande responstid och därmed lägre effektivitet.
Dessutom kan förhållandena i en verklig miljö, med element som vind- eller vattenströmmar, också vara ett hinder för att upprepa framgången med laboratorieexperiment. Detta nya artificiella fotosyntes-system som självständigt kan spåra ljuskällor är dock en mycket lovande utveckling, med potential att revolutionera energi- och grön vätgasproduktion.
