"Bionic Leaf" Macht Kraftstoff Aus Sonnenlicht
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Video: CO2-neutraler Treibstoff aus Luft und Sonnenlicht 2022, Dezember
Anonim

Biologie gepaart mit Maschinen wandelt Kohlendioxid wieder in Kraftstoff oder andere nützliche Moleküle um.

Hier ist eine neue Methode, um Kraftstoff aus Sonnenlicht herzustellen: Verhungern Sie eine Mikrobe fast zu Tode und speisen Sie sie dann mit Kohlendioxid und Wasserstoff ein, die mithilfe der Spannung eines Solarmoduls erzeugt werden. Ein neu entwickelter Bioreaktor versorgt Mikroben mit Wasserstoff aus Wasser, das durch spezielle Katalysatoren gespalten wird, die in einem Kreislauf mit Photovoltaik verbunden sind. Ein solches batterieähnliches System könnte entweder rein biologische oder rein technologische Systeme schlagen, wenn es darum geht, Sonnenlicht in Kraftstoffe und andere nützliche Moleküle umzuwandeln, behaupten die Forscher jetzt.

"Wir glauben, wir können es besser machen als Pflanzen", sagt Joseph Torella von der Boston Consulting Group, der die am 9. Februar in Proceedings der National Academy of Sciences veröffentlichte Arbeit leitete.

Der Prozess begann 2009 mit den billigen wasserspaltenden Katalysatoren, die der Chemiker Daniel Nocera an der Harvard University entwickelt hatte. Diese Kobalt-Phosphat-Katalysatoren verwenden Elektrizität, um aus gewöhnlichem Wasser Wasserstoff herzustellen. Aber Wasserstoff hat sich als alternativer Kraftstoff nicht durchgesetzt. Als Nocera in Harvard ankam, arbeitete er mit der Biochemikerin Pamela Silver von der Harvard Medical School, ihrer damaligen Doktorandin Torella und anderen zusammen, um ein Hybridsystem zu bauen, das einen nützlicheren Kraftstoff herstellen könnte.

Durch die Paarung von Maschine und Mikrobe erhält dieses neue "bionische Blatt" die besten Eigenschaften von beiden. Die Photovoltaik kann viel mehr einfallendes Sonnenlicht in elektrischen Strom umwandeln als die Photosynthese von Bakterien oder Pflanzen - und die neuen Katalysatoren können gewöhnliches Wasser spalten, selbst das schmutzige Material vom Charles River in Boston. Photosynthetische oder andere Mikroben sind jedoch gut darin, eingehende Energie in nützliche Moleküle umzuwandeln, egal ob Lebensmittel, Kraftstoff oder sogar Pharmazeutika. Also haben Torella und der Rest des Teams den photovoltaischen wasserspaltenden Wafer mit Ralstonia eutropha, einem Bodenbakterium, das den gespaltenen Wasserstoff verwenden kann, um den Aufbau von Molekülen aus Kohlenstoff zu fördern, in einem Glas gepaart. Unter Verwendung einer gentechnisch veränderten Variante von R. eutropha stellte das Team Isopropanol (C3H8O) her, ein Alkoholmolekül, das als Kraftstoff wie Ethanol oder Benzin verwendet werden kann und mit Salz leicht von Wasser getrennt werden kann.

Das bionische Blatt kann 216 Milligramm Isopropanol pro Liter Wasser abpumpen - eine Effizienz, die mit der einer Maispflanze konkurriert, die aus Sonnenlicht stärkehaltige Körner herstellt. Der Schlüssel besteht darin, das speziell optimierte R. eutropha zu verwenden und es in ein verschlossenes Gefäß zu füllen, das mit nährstofffreier Flüssigkeit plus Wasserstoff und gelöstem CO2 gefüllt ist. Einige Transfers von Glas zu Glas, gemischt mit heftigen Bewegungen plus Zeit, führen dazu, dass die R. eutropha vom normalen Wachstum in den Panikmodus wechselt, wodurch die Mikroben veranlasst werden, sich direkt vom Wasserstoff zu ernähren. Die resultierende Kolonie wurde mit dem Wassersplitter und einer Edelstahlelektrode, die mit einer Photovoltaikanlage verbunden war, um Strom zu liefern, in das Gefäß gegeben, und nach einer Verzögerung von einigen Tagen begann das neue bionische Blatt zu wachsen und Isopropanol auszuspucken.

Dies ist nicht das erste Mal, dass R. eutropha zur Herstellung von Brennstoff aus Solarstrom verwendet wird, aber die neue Arbeit ist die erste, bei der die einzigartige Mikrobe in dieselbe Kammer wie die wasserspaltende, elektrisch angetriebene Chemie gebracht wird, anstatt die Lebenden von der zu trennen Nichtleben, um zu verhindern, dass die nicht lebende Chemie das Leben tötet. Die neue Arbeit läutet auch den technischen Fortschritt für den Traum von elektrisch-flüssigen Kraftstoffen ein, die mit Elektrizität hergestellt werden. Dieses innovative Programm lief von 2008 bis 2012 im Rahmen der Agentur für Energie für fortgeschrittene Forschungsprojekte (ARPA-E) und hat diese Arbeit inspiriert.

Die Idee ist, die Verbrennung umzukehren und das Abfallprodukt der Verbrennung fossiler Brennstoffe - CO2 - zu nutzen, um ebenso wie Pflanzen Brennstoffe zu bauen. "Öl und Gas sind keine nachhaltigen Quellen für Kraftstoff, Kunststoff, Dünger oder die unzähligen anderen Chemikalien, die mit ihnen hergestellt werden", sagt Torella. "Die nächstbeste Antwort nach Öl und Gas ist die Biologie, die weltweit über Photosynthese 100-mal mehr Kohlenstoff pro Jahr produziert, als Menschen aus Öl verbrauchen."

Verbessert könnte das bionische Blatt die Produktion von Kraftstoff, Pharmazeutika oder anderen nützlichen Molekülen überall dort ermöglichen, wo Sonnenlicht und CO2 vorhanden sind. "Stellen Sie sich ein System vor, das in einem Glas Wasser hergestellt werden kann, um neue und nützliche Chemikalien herzustellen", sagt Silver. "Effizienz wird unser Hauptziel für das bionische Blatt sein."

Diese Verbesserung könnte in Form einer mutierten R. eutropha erfolgen, die bei dieser Arbeit besser oder toleranter gegenüber rauen Bedingungen ist und dazu beitragen könnte, mehr Kraftstoff zu produzieren. Oder eine ganz andere Mikrobe könnte den größten Teil des CO2 leichter in nützliche Moleküle umleiten. Umgekehrt könnten die Elektrodenmaterialien optimiert werden, um die Herausforderungen, die sie für die Mikrobe darstellen, zu minimieren oder zu beseitigen.

Der Trick, damit das bionische Blatt am besten funktioniert, besteht darin, bei den hohen Spannungen zu arbeiten, die den R. eutropha-Zellen zum Gedeihen verhelfen und gleichzeitig viele der gewünschten Moleküle produzieren. Niedrige Spannungen ermöglichen jedoch eine zusätzliche Produktion der gewünschten Moleküle mit dem Signalnachteil, die Zellen über toxische Sauerstoffnebenprodukte aus unerwünschten Reaktionen an der Elektrode abzutöten. Sauerstoff stellt auch das Leben in der Photosynthese vor Herausforderungen und dies kann letztendlich bedeuten, dass das bionische Blatt von nicht lebender Chemie übertroffen wird. "Was wäre, wenn wir diesen Wasserstoff nehmen und ihn thermisch mit [Kohlenmonoxid] oder CO2 selbst reagieren würden?" fragt der Chemiker Andrew Bocarsly von der Princeton University, der an elektrochemischen Zellen gearbeitet hat, die CO2 in Kraftstoffe umwandeln können. Der Aufbau von Molekülen aus solchen Synthesegasen unter Verwendung von Wärme wird in der Industrie bereits verwendet. "Wie vergleichen sich die Energieeffizienzen jetzt? Ich weiß die Antwort nicht."

Unabhängig davon, welche Methode gewinnt, könnte die Umkehrung der Verbrennung zur Lösung des Problems der globalen Erwärmung beitragen. Tatsächlich muss das Endprodukt des bionischen Blattes nicht Isopropanol sein, sondern könnte im Prinzip viele verschiedene Moleküle auf Kohlenstoffbasis sein - vielleicht sogar eines Tages die Kohlenwasserstoffe, die allgemein als Öl oder Erdgas bekannt sind. "Der Weg, der zur Erzeugung von Isopropanol modifiziert wurde, weist einen enormen Kohlenstofffluss auf", bemerkt Silver das bionische Blatt. "Theoretisch können andere Brennstoffmoleküle hergestellt werden."

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