Τεχνητά φύλλα. Πόσο εφικτό είναι πλέον για την επιστήμη; Τρεις δημοσιεύσεις από τον τύπο για τις εξελίξεις πάνω στον συγκεκριμένο θέμα.

• Τεχνητά φύλλα φέρνουν το φως, από Βήμα, 28/03/2011

Ερευνητές του ΜΙΤ ανέπτυξαν ένα «τεχνητό φύλλο» που μιμείται τη λειτουργία της φωτοσύνθεσης στα φύλλα των δέντρων. Η συσκευή, ελπίζουν, θα αξιοποιεί τη λιακάδα πιο αποτελεσματικά από τα σημερινά φωτοβολταϊκά συστήματα.

«Εδώ και δεκαετίες, η ανάπτυξη ενός πρακτικού τεχνητού φύλλου είναι ένα από τα "Ιερά Δισκοπότηρα" της επιστήμης. Εμείς πιστεύουμε ότι τα καταφέραμε» υπερηφανεύεται ο καθηγητής Ντάνιελ Νοσέρα, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας.

Στη σημερινή του μορφή, το τεχνητό φύλλο μπορεί να καλύψει τις ανάγκες ενός νοικοκυριού στις αναπτυσσόμενες χώρες. Στο μέλλον, όμως, θα μπορούσε να γίνει ακόμα πιο αποδοτικό, ανέφεραν οι ερευνητές.

Η συσκευή του MIT, μικρή και λεπτή σαν τραπουλόχαρτο, παρουσιάστηκε στο συνέδριο της Αμερικανικής Χημικής Εταιρείας.

Από τη χλωροφύλλη στο πυρίτιο

Στους χλωροπλάστες των φυτών (τα οργανίδια όπου συγκεντρώνεται η χλωροφύλλη) η ηλιακή ενέργεια αξιοποιείται για την παραγωγή σακχάρων, χρησιμοποιώντας ως πρώτη ύλη διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Ένα ενδιάμεσο στάδιο αυτής της διαδικασίας είναι η διάσπαση του νερού σε υδρογόνο και οξυγόνο.

Αυτό ακριβώς είναι το στάδιο που μιμείται το τεχνητό φύλλο του MIT: Η συσκευή επιπλέει σε ένα δοχείο με νερό και το διασπά σε υδρογόνο και οξυγόνο. Τα αέρια αυτά διοχετεύονται στη συνέχεια σε μια κυψέλη καυσίμου, όπου αντιδρούν ελεγχόμενα και μετατρέπονται εκ νέου σε νερό, παράγοντας ταυτόχρονα ηλεκτρική ενέργεια.

Ο Δρ Νοσέρα επισημαίνει ότι η εφεύρεση της ομάδας του δεν είναι το πρώτο τεχνητό φύλλο. Μια αντίστοιχη συσκευή είχε παρουσιαστεί πριν από μια δεκαετία στο αμερικανικό Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμης Ενέργειας. Δεν μπορούσε όμως να χρησιμοποιηθεί σε μεγάλη κλίμακα, καθώς ήταν κατασκευασμένη από σπάνια και ακριβά υλικά και είχε διάρκεια ζωής μόλις μια μέρα.

Το νέο τεχνητό φύλλο είναι αντίθετα σταθερό και φτηνό. Το κλειδί για την ανάπτυξή του ήταν η ανακάλυψη φθηνών καταλυτών με νικέλιο και κοβάλτιο, οι οποίοι διασπούν εύκολα τα μόρια νερού χωρίς να αλλοιώνονται ή να χάνουν τη δραστικότητά τους.

Τοποθετημένοι με ακρίβεια πάνω σε μια βάση από πυρίτιο, ανάμεσα σε μικροσκοπικά ηλεκτρονικά κυκλώματα, οι καταλύτες αυτοί είναι ήδη «δέκα φορές πιο αποδοτικοί από τη φωτοσύνθεση» υποστηρίζει η ερευνητική ομάδα.

«Η φύση λειτουργεί με φωτοσύνθεση» σχολιάζει ο Δρ Νοσέρα. «Πιστεύω ότι ο κόσμος του μέλλοντος θα λειτουργεί με φωτοσύνθεση σε τεχνητά φύλλα» προβλέπει.

Ο καθηγητής του MIT μπορεί κάλλιστα να έχει δίκιο. Πρόσφατα, εξάλλου, υπέγραψε συμφωνία με τον ινδικό όμιλο Tata, με στόχο τη δημιουργία ενός εμπορικού συστήματος με τεχνητά φύλλα σε διάστημα ενάμισι χρόνου.

• Τεχνητά φύλλα παράγουν ενέργεια, από enet.gr, 24/5/2011

“Τα τεχνητά φύλλα είναι εμπνευσμένα από τα φύλα των δέντρων αλλά δεν τους μοιάζουν” δήλωσε ο επικεφαλής του προγράμματος Νάθαν Λιούις, καθηγητής χημείας του California Institute of Technology στην Πασαντίνα.

Το φιλόδοξο πενταετές ερευνητικό του πρόγραμμα τεχνητής φωτοσύνθεσης, βραβεύτηκε πρόσφατα με χρηματοδότηση 122 εκατομμυρίων δολαρίων από το Ομοσπονδιακό Παράρτημα Ενέργειας.

Στόχος του να συνδυάσει τις ήδη υπάρχουσες τεχνολογίες παραγωγής ανανεώσιμων πηγών ενέργειας για την δημιουργία τεχνητών φύλων παρόμοιων με αυτά των δέντρων που θα μετατρέπουν το ηλιακό φως σε ενέργεια. Στα ήδη υπάρχοντα πρωτότυπα,  λεπτά φύλλα από σιλικόνη εμποτισμένα με ειδικούς καταλύτες δημιουργούν πρώτη ύλη για ηλεκτρικό ρεύμα (υδρογόνο ή μεθανόλη), όταν το ηλιακό φως διασπά την υγρασία πάνω τους σε υδρογόνο και οξυγόνο.

Γιατί “φύλλα” όμως και όχι τα υπάρχοντα φωτοβολταϊκά πάνελ, θα αναρωτηθεί φυσιολογικά κανείς. Όπως εξηγεί ο καθηγητής τα φύλλα μπορούν να συνδέονται χάρη στη σιλικόνη χωρίς να χρειάζονται επιπλέον κύκλωμα, ενώ δεν χρειάζονται την πανάκριβη ειδική μεμβράνη των φωτοβολταϊκών.

Η ομάδα του καθηγητή Νάθαν Λιούις θα συνδυάζει ήδη τεχνολογίες που έχουν ήδη δοκιμαστεί από πολλούς ερευνητές που κατασκεύασαν διάφορα είδη φύλλων, ανά τον κόσμο, προκειμένου να καταλήξει στη χρυσή τομή, ανάμεσα σε φύλλα που θα είναι ανθεκτικά, αλλά αποδοτικά και προπάντων φθηνά.

Προτεραιότητα στην σχεδίαση πριν την μαζική παραγωγή  αυτών των φύλλων είναι η απόκτηση και εγκατάσταση τους να είναι εύκολη και φθηνή και όχι η αποδοτικότητα τους.

Στόχος της ομάδας του καθηγητή Λιούις είναι φύλλα τα οποία ιδιοκτήτες κατοικιών σε όλο τον κόσμο να μπορούν να εγκαθιστούν και να συντηρούν εύκολα και τα οποία θα παράγουν  ποσά ενέργειας που απαιτεί ένα απλό μη ενεργοβόρο κτήριο, ειδικά στον αναπτυσσόμενο κόσμο.

Φύλλα που θα παρέχουν αργά αλλά σταθερά υδρογόνο ή μεθανόλη εκεί που ο καταναλωτής της τη χρειάζεται, όσο απομακρυσμένο και αν είναι αυτό το μέρος, χωρίς την ανάγκη δικτύου διανομής που απαιτούν τα ορυκτά καύσιμα.

Αυτό σύμφωνα με τον καθηγητή είναι που θα τα κάνει και ανταγωνιστικά σε σχέση με την εέργεια από τα ορυκτά καύσιμα.

• Τεχνητά φύλλα κάνουν φωτοσύνθεση, από Physics4u, 02/10/2011

Πρόσφατα δύο ερευνητικές ομάδες, από το MIT στο Cambridge και το Πανεπιστήμιο του Ιλινόις στην πόλη Champaign με επικεφαλής τους χημικούς Richard Masel και Paul Kenis, σχεδίασαν από την αρχή τεχνητά φύλλα που κάνουν φωτοσύνθεση, έχουν δηλαδή την ικανότητα να χρησιμοποιούν την ηλιακή ενέργεια. Με αυτές τις πρόσφατες εξελίξεις το τεχνητό φύλλο είναι πιο κοντά στην πραγματοποίηση του από ποτέ.

Όπως μάθαμε στο σχολείο τα φυτά χρησιμοποιούν την ενέργεια από την ηλιακή ακτινοβολία για να μετατρέψουν το διοξείδιο του άνθρακα και το νερό σε οξυγόνο και ενέργεια χημικά αποθηκευμένη, σε μια διαδικασία που ονομάζεται φωτοσύνθεση. Οι επιστήμονες δεν θέλουν απαραιτήτως να αναδημιουργήσουν την φωτοσύνθεση όπως την ξέρουμε, αλλά ενδιαφέρονται για το τι συμβαίνει κατά τη διάρκεια της: η διάσπαση του νερού σε Η2 και Ο2 μας παρέχει καύσιμο υδρογόνο, και κατά την επεξεργασία του διοξειδίου του άνθρακα μπορούν να δημιουργήσουν καύσιμα υδρογονανθράκων.

Η παραγωγή καυσίμων μόνο από το φως του ήλιου, το νερό και τα αέρια του θερμοκηπίου – από τα οποία θέλουμε να απαλλαγούμε ούτως ή άλλως – ήταν επιστημονικά ένα άπιαστο όνειρο για πολλά χρόνια, και τώρα οι δύο έρευνες την φέρνουν πιο κοντά από ποτέ.

Η μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα σε μονοξείδιο του άνθρακα απαιτούσε πολλή ενέργεια, συνήθως με τη μορφή της υψηλής ηλεκτρικής τάσης. Στη νέα διαδικασία, η ομάδα από το Ιλινόις, έφτιαξε ένα ιοντικό υγρό διαλύτη που μειώνει την απαιτούμενη τάση κατά ένα συντελεστή 10.

Εν τω μεταξύ, η δεύτερη ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον Daniel Nocera στο MIT, έχει δημιουργήσει μία τριών επιπέδων ηλιακή κυψέλη πυριτίου, που διαχωρίζει το νερό σε υδρογόνο και οξυγόνο, χρησιμοποιώντας καταλύτες που είναι συνδεδεμένοι με το πυρίτιο. Το φως του ήλιου χρησιμοποιείται για να μεταφερθούν ηλεκτρόνια από τη μία πλευρά της κυψέλης, και ένα είδος καταλύτη στην άλλη πλευρά, όπου παράγονται μόρια είτε οξυγόνου είτε υδρογόνου. Το παραγόμενο H2 μπορεί να αποθηκευτεί για χρήση ως καύσιμο αργότερα, ενώ το οξυγόνο απλά μπορεί να απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα.

Φυσικά, οι δύο διαδικασίες είναι ακόμη αργές και μάλλον αναποτελεσματικές – προβλήματα που μαστίζουν το πεδίο αυτό από το ξεκίνημα του. Αλλά ακόμα είναι στις πρώτες ημέρες του και τα μοντέλα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πηγή έμπνευσης για βελτιστοποίηση των πειραμάτων – τώρα που υπάρχει ένα παράδειγμα ηλιακής κυψέλης που παράγει υδρογόνο, άλλοι ερευνητές θα βελτιώσουν τη δομή και τη χημεία της συσκευής. Ίσως κάποια μέρα σύντομα να έχουμε τεχνητά φύλλα που θα τροφοδοτούν τα κυβερνο-φυτά μας!