Umělá fotosyntéza. Michael Hagelberg. Tomáš Polívka, Ústav fyzikální biologie



Podobné dokumenty
Světlosběrné systémy fotosyntetických organismů Tomáš Polívka

Energetické zdroje budoucnosti

Fotosyntéza. Ondřej Prášil

Experimentální laboratoře (beamlines) ve Středoevropské synchrotronové laboratoři (CESLAB)

MB130P68 Globální změny a trvalá udržitelnost. ZS 2012/2013. Lubomír Nátr. Lubomír Nátr

1- Úvod do fotosyntézy

11 Vyhraje fotosyntéza či fotovoltaika? Učební list

Využití vodíku v dopravě

"...s určitými riziky ve vztahu k životnímu prostředí jsou spojeny všechny systémy a druhy lidské činnosti, ať už si toho jsme vědomi, či nikoli...

EU peníze středním školám digitální učební materiál

12-Fotosyntéza FRVŠ 1647/2012

Seminář projektu Rozvoj řešitelských týmů projektů VaV na Technické univerzitě v Liberci. Registrační číslo projektu: CZ.1.07/2.3.00/30.

Chemické procesy v ochraně životního prostředí

Fotovoltaika - přehled

FOTOSYNTÉZA. Mgr. Alena Výborná Gymnázium, SOŠ a VOŠ Ledeč nad Sázavou VY_32_INOVACE_01_1_07_BI1

Fotosyntéza Světelné reakce. Ondřej Prášil Mikrobiologický ústav AVČR Laboratoř fotosyntézy v Třeboni

Analytické metody využívané ke stanovení chemického složení kovů. Ing.Viktorie Weiss, Ph.D.

Sacharidy a polysacharidy (struktura a metabolismus)

Nanosystémy v katalýze

Obnovitelné zdroje energie OZE OZE ČR A VE SVĚTĚ, DEFINICE, POTENCIÁL. Doc. Ing. Tomáš Dlouhý CSc.

Přírodní zdroje a energie

Obnovitelné zdroje energie Otázky k samotestům

Vylepšování fotosyntézy

Z odpadu ze spalovny biopaliva?

Perspektivy energetického využívání biomasy Pavel Noskievi

JAK SE VYRÁBÍ ELEKTŘINA

ABSORPČNÍ A LUMINISCENČNÍ SPEKTROMETRIE V UV/Vis OBLASTI SPEKTRA

Solární elektrárna Struhařov

4 Přenos energie ve FS

Den otevřených dveří na německých projektových školách. Módní ekotextilie a elektřina z vodní energie. Japonská zahrada poskytla klid a sílu

Nerostné suroviny Energie Odpady

Vyjádření fotosyntézy základními rovnicemi

sekundy Femtosekundová spektroskopie, aneb

>>> E A1 + E A2. . aktivační energie potřebná k reakci bez přítomnosti katalyzátoru E A E A1. energie potřebná ke vzniku enzym-substrátového komplexu

Fotosyntéza. Dýchání a fotosyntéza, struktura a funkce antén a reakčních center, energetika transportu elektronů a protonů.

Relativistická dynamika

ACH 02 VZÁCNÉPLYNY. Katedra chemie FP TUL VZÁCNÉ PLYNY

NÍZKOUHLÍKOVÉ ZDROJE NA ENERGETICKÉM TRHU

Systémy pro využití sluneční energie

Ekonomické aspekty fotovoltaiky

Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava


DUM VY_52_INOVACE_12CH35

Solární systémy. Termomechanický a termoelektrický princip

R10 F Y Z I K A M I K R O S V Ě T A. R10.1 Fotovoltaika

CHEMICKY ČISTÁ LÁTKA A SMĚS

Dekompozice, cykly látek, toky energií

FOTOSYNTÉZA. Princip, jednotlivé fáze

VIESMANN. List technických údajů Obj. č. aceny:vizceník VITOVOLT 200. Fotovoltaické systémy 1,65 až 5,94 kw p. Pokyny pro uložení: Typ RA2

M Ě STO LITOM ĚŘ ICE

Biogeochemické cykly vybraných chemických prvků

Ekosystém I. Primární a sekundární produce, dekompozice Trofická struktura Účinnost transformace. Koloběh hmoty

NÁDRŽ KLÍČAVA VZTAH KVALITY VODY A INTENZITY VODÁRENSKÉHO VYUŽÍVÁNÍ

Složení hvězdy. Hvězda - gravitačně vázaný objekt, složený z vysokoteplotního plazmatu; hmotnost 0,08 M ʘ cca 150 M ʘ, ale R136a1 (LMC) má 265 M ʘ

Respirace. (buněčné dýchání) O 2. Fotosyntéza Dýchání. Energie záření teplo BIOMASA CO 2 (-COO - ) = -COOH -CHO -CH 2 OH -CH 3

BlueSolar solární regulátor MPPT 150/35

Fotosyntéza (2/34) = fotosyntetická asimilace

NOVÉ POSTUPY DEHALOGENACE PCB S VYUŽITÍM MIKROVLNNÉ TECHNIKY

Střední odborná škola a Střední odborné učiliště, Hradec Králové, Vocelova 1338, příspěvková organizace

Hnědé uhlí v budoucnosti ČR

Číslo projektu: CZ.1.07/1.5.00/ Ročník: 1. pro obory zakončené maturitní zkouškou

Úvod do moderní fyziky. lekce 9 fyzika pevných látek (vedení elektřiny v pevných látkách)

Energetická náročnost budov


nano.tul.cz Inovace a rozvoj studia nanomateriálů na TUL

Tomáš Miléř, Jindřiška Svobodová

ENZYMY. Charakteristika enzymaticky katalyzovaných reakcí:

Jméno autora: Mgr. Ladislav Kažimír Datum vytvoření: Číslo DUMu: VY_32_INOVACE_09_Ch_OB Ročník: I. Vzdělávací oblast: Přírodovědné

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: Lasery - druhy

Elektrotermické procesy

Potravní řetězec a potravní nároky

7 Fluorescence chlorofylu in vivo

Význam organických hnojiv pro výživu rybniční biocenózy

6 Přenos elektronů a protonů

EKOTECH Fluorescence chlorofylu in vivo 1

Datum: v 9-11 hod. v A-27 Inovovaný předmět: Pěstování okopanin a olejnin

Fotosyntéza Úžasná sluneční elektrárna

Výukový materiál OVZDUŠÍ pro 2. stupeň základních škol ENVItech Bohemia s.r.o.

Teorie reaktivního pohonu

Jaderná energie Jaderné elektrárny. Vojtěch Motyčka Centrum výzkumu Řež s.r.o.

Úvod do teorie spalování tuhých paliv. Ing. Jirka Horák, Ph.D.

Návod pro laboratorní úlohu: Komerční senzory plynů a jejich testování

fotometr / radiometr

Vzdělávací materiál. vytvořený v projektu OP VK CZ.1.07/1.5.00/ Anotace. Fotosyntéza světelná fáze. VY_32_INOVACE_Ch0214.

Laboratoř strukturní chemie Ústav chemie a biochemie (budova C PřF JU) Ivana Kutá Smatanová

č. 475/2005 Sb. VYHLÁŠKA kterou se provádějí některá ustanovení zákona o podpoře využívání obnovitelných zdrojů Ve znění: Předpis č.

EXPOZICE ELEKTROMAGNETICKÝM POLÍM V OKOLÍ VYSÍLAČŮ NOVÝCH TECHNOLOGIÍ. Pavel Buchar elmag@szu

DYNAMICKÁ BIOCHEMIE. Daniel Nechvátal ::

2 Primární zdroje energie. Ing. Petr Stloukal Ústav ochrany životního prostředí Fakulta technologická Univerzita Tomáše Bati Zlín

2. Fotosensitizované reakce a jejich mechanismus. 5. Samoorganizované porfyrinové nanostruktury a jednoduché aplikace

Představení záměru výstavby bioplynové stanice Chrástecký Dvůr

Střední škola obchodu, řemesel a služeb Žamberk. Výukový materiál zpracovaný v rámci projektu EU Peníze SŠ

Jiří Oswald. Fyzikální ústav AV ČR v.v.i.

Chytřejší solární systémy. Bílá kniha: SunPower panely generují nejvyšší finanční návratnost vašich solárních investic

Energie fotonů je předávána molekulám chlorofylu A, který se zachyceným fotonem excituje (uvolní se energeticky bohatý elektron).

Modulace fotosyntézy, zvyšování produktivity genetickými modifikacemi, biotechnologie, umělá fotosyntéza,

Laserové technologie v praxi II. Úvodní přednáška. Bezpečnost práce s lasery. Hana Chmelíčková, SLO UP a FZÚ AVČR Olomouc, 2011

5.8 Jak se změní velikost elektrické síly mezi dvěma bodovými náboji v případě, že jejich vzdálenost a) zdvojnásobíme, b) ztrojnásobíme?

FOTOSYNTÉZA. CO 2 a vody. - soubor chemických reakcí. - probíhá v rostlinách a sinicích. - zachycení a využití světelné energie

Transkript:

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