Umělá fotosyntéza Michael Hagelberg Tomáš Polívka, Ústav fyzikální biologie
Energetické požadavky společnosti Energetický rozdíl 14 TW, 2050 33 TW, 2100
Alternativy Fosilní paliva Jaderné štěpení Obnovitelné zdroje Jaderná fúze Environmentální problémy Sociální a politické problémy Voda, vítr, slunce, příliv, geo, biomasa Technologické problémy Hustota energie Tok energie Energetické požadavky ~ 14 TW 2050 ~ 33 TW 2100 14 TW = 14000 1 GW elektráren 1 nová elektrárna každý den po následujících 40 let Problém nemá jednoznačné řešení Je nezbytné kombinovat všechny zdroje
E J/ a Model vše při starém E J/ a Model 450 ppm CO 2 E J/ a Bezjaderný model 450 ppm CO 2 Fosilní paliva Zemní plyn (CCS) Zemní plyn Jaderná energie Biomasa Slunce Vítr Hydro Geotermální
Zásoby obnovitelných zdrojů SOLAR: 178,000 TW GEOTHERMAL: 92,000 TW-YR GEOTERMÁLÍ: 92,000 TW Obnovitelné, zdroje energie TIDAL PŘÍLIV: POWER: 0.1 TW 0.1 TW-YR WAVE: VLY: 2 TW-YR WID: 5 TW-YR OCEA THERMAL: 10 TW- YR BIOMASS: VÍTR: 172 TW 172 TW-YR vs. současné požadavky SOUČASÁ SPOTŘEBA: 13 TW
Využití sluneční energie Grätzel cells Fuel?
Parametry slunečního záření Solární konstanta 1366 Wm -2 174 000 TW 345 Wm -2 44 000 TW K získání 1 GW energie je zapotřebí 3 km 2 + účinnost + spektrální závislost
Sluneční elektrárny Solar II, Mojave desert 10 MW standardní elektrárna, Southern California Edison 500 MW, Gut Erlasee Solar Park 12 MW Fotovoltaické panely 50 W/m 2 Serpa, Portugalsko 11 MW Fotovoltaické panely
Problém hustoty energie 1 ha fotovoltaických článků = 1 dm 3 jaderného paliva Temelín: 2 x 1020 MW na ploše 1240000 m 2 1645W/m 2 V případě jaderné fúze je hustota energie zhruba 4x vyšší než u štěpení (na kg paliva)
Sluneční energie - plocha pokrytí
Problém toku energie K zabezpečení plynulé dodávky elektrické energie je třeba plynulé dodávky zdroje energie Fosilní paliva, jaderné palivo, geotermální, biomasa, příliv Vetšina obnovitelných zdrojů energie nesplňuje podmínku plynulosti toku energie Voda, slunce, vítr utno zálohovat výrobu energie jinými zdroji Využít obnovitelných zdrojů k výrobě skladovatelné formy energie - paliva Umělá fotosyntéza
Fotosyntéza Primární zdroj energie v biosféře Atmosférický kyslík Účinnost ~0.2% Atmosférický oxid uhličitý
Umělá fotosyntéza apodobení a modifikace přírodních dějů Čistý a obnovitelný zdroj energie Zatím technologicky nedostupný Jules Verne, 1875 2H 2 O --> 4H + + 4e - + O 2 --> 2H 2 + O 2 umělá fotosyntéza vodíku a kyslíku
Současné zdroje vodíku, výhledy Chemicky ze zemního plynu 4.8$/kg Elektrolýza 9$/kg Solární elektrolýza 36$/kg Bioreaktory?? Velmi nízká produktivita, ~0.1% (fotony na H 2 ) Lze dosáhnout až 2% 1.4 kg H 2 /den na ploše 1000m 2 Do budoucna Zvýšení účinnosti bioreaktorů pomocí genetických manipulací, teoretické maximum ~10% De novo syntéza nanostruktur schopných produkovat solární vodík s rozumnou účinností Projekt HELIOS Aktivita USA, 15M$/rok po dobu tří let 40 vědců, 55 postdoků, 65 PhD studentů Cílem je vytvořit solární generátor paliva s účinností 1% pomocí dostupných materiálů
Fotosystém II přenos elektronu P680 tzv. primární donor, chlorofyl-a, maximum absorpce 680 nm Ph pheophytin, první akceptor elektronu Q a, Q b chinony, sekundární akceptory elektronu Tyr tyrosin, poslední přenašeč elektronu na donorové straně Mn manganový klastr Ferreira et al., Science 2004
Přírodní produkce vodíku - hydrogenáza ěkolik typů: Fe-only, Fe-i evyskytují se u rostlin, pouze baktérie a sinice Pracuje pouze v bezkyslíkatém prostředí 2H + + 2e - H 2 Evans & Pickett, Chem. Soc. Rev., 2003
Jak napodobit přírodní procesy přírodní umělá Zdroj: Swedish Consortium for Artificial Photosynthesis
Přírodní vs. umělá fotosyntéza Ruthenium tris-bipyridyl: Tyrosin: Manganový komplex: primární donor, fotochemicky stabilní, snadno chemicky modifikovatelný intermediální přenašeč elektronu oxidace vody Akceptor: např. TiO 2 Zdroj: Swedish Consortium for Artificial Photosynthesis
Modely umělého reakčního centra Borgstrom, JACS 2005 Huang, JACS 2002 Zatím neexistuje systém schopný účinného štěpení vody pomocí světla
Hydrogenázové mimiky Tard et al. ature 2004, pouze aktivní centrum enzymu Ott et al., Inorg. Chem. 2004, aktivní centrum + senzitizér
Hypotetické zařízení Problémy Hydrogenázy jsou velmi citlivé na přítomnost kyslíku utný dostatečný tok fotonů pro multielektronové reakce Zdroj: Swedish Consortium for Artificial Photosynthesis
Světlosběrný systém = anténa
Solar spectral irradiance Spektrum slunečního záření 0.2-2 me m -2 s -1 = 10 20-10 21 fotonů m -2 s -1 0 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200
Proč antény? 0.2-2 me m -2 s -1 = 10 20-10 21 fotonů m -2 s -1 Účinný průřez molekuly chlorofylu: ~1 Å 2 1-10 fotonů Chl -1 s -1 Zvýšení intenzity až 10 2-10 6
Purpurové baktérie
Absorption LH2 spektrum LH2 from Rb. sphaeroides BChl-a BChl-a Car BChl-a 400 500 600 700 800 900 Wavelength (nm)
Umělé anténní systémy P64D64 H H O O H H O O H H O O H H O O Z n Z n Z n Z n P16D16 P4D4 H H O O Z n P1D1 Max Crossley, University of Sydney Porfyrinové dendrimery Abs. 400-450, 520-630 Velký účinný průřez
Umělé anténní systémy Komplexy přechodových kovů (Ru, Os) Abs. 400-700 nm ízký účinný průřez, rychlý přenos energie Sebastiano Campagna, University of Messina
Funkční problémy Problém struktury Přítomnost proteinu jako nosné struktury zabraňuje tvorbě izomerů a konformerů Možné řešení Fixace umělých komplexů na pevné podložky nebo do nanotrubic
Funkční problémy Problém znalostí ěkteré funkční a strukturní detaily přírodních systémů stále neznámé
Funkční problémy Problém účinnosti Reakce na umělých komplexech jsou výrazně pomalejší což vede k nízké účinnosti Možné řešení Další výzkum v oblasti fyzikální chemie, elektrochemie, organické syntézy...
Funkční problémy Problém konektivity Současné semifunkční modely reakčních center a antén jsou nepropojitelné, jelikož nejnižší energetický stav umělých anténních komplexů je příliš nízko
Umělá fotosyntéza Výborná myšlenka, která má potenciál zajistit čistý a obnovitelný zdroj energie Výsledky dosažené v poslední době = realizace (snad) možná Cesta k plně funkční umělé fotosyntéze bude dlouhá