• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Badacze tworzą pionierski katalizator molekularny

    16.04.2012. 16:17
    opublikowane przez: Redakcja Naukowy.pl

    Naukowcy ze Szwecji opracowali molekularny katalizator ze zdolnością szybkiego utleniania wody do tlenu. Przedstawione w magazynie Nature Chemistry wyniki wnoszą znaczny wkład do przyszłego wykorzystania energii słonecznej i innych odnawialnych źródeł energii, zwłaszcza że ??ceny benzyny nadal niebezpiecznie rosną.

    Zespół z Królewskiego Instytutu Technologicznego (KTH) w Sztokholmie jako pierwszy osiągnął prędkości, które są porównywalne do tych istniejących w naturalnej fotosyntezie, tym samym wyznaczając nowy rekord świata. Naukowcy w Europie, Japonii i Stanach Zjednoczonych poszukują sposobów na udoskonalenie sztucznej fotosyntezy od ponad 30 lat. Żaden zespół nigdy nie wygenerował wystarczająco szybkiego słonecznego katalizatora do utleniania wody.

    "Prędkość jest głównym problemem, wąskim gardłem, gdy chodzi o stworzenie doskonałej sztucznej fotosyntezy" - wyjaśnia profesor Licheng Sun z Wydziału Chemii KTH.

    Molekularny katalizator, opracowany przez prof. Suna i jego zespół, jest tak szybki, że może osiągnąć ponad 300 cykli na sekundę. Szybkość, z jaką odbywa się naturalna fotosynteza odbywa to od 100 do 400 cykli na sekundę.

    "Jest to oczywiście rekord świata oraz przełom w odniesieniu do katalizatora molekularnego w sztucznej fotosyntezy" - komentuje profesor Sun. "Prędkość taka umożliwi w przyszłości stworzenie dużych obiektów do wytwarzania wodoru na Saharze, gdzie promieni słonecznych nie brakuje. Albo osiągnięcie efektywniejszego niż obecnie przetwarzania energii słonecznej na energię elektryczną, łącząc to z tradycyjnymi ogniwami słonecznymi.

    Jest to szczególnie ważne, ponieważ społeczeństwo wciąż ma do czynienia z rosnącymi cenami benzyny. Według naukowców szybkie katalizatory molekularne mogą być podstawą do wielu zmian w przyszłości. Nie tylko pozwalają wykorzystać światło słoneczne do konwersji dwutlenku węgla (CO2) w różne paliwa, takie jak metanol, lecz także mogą być użyte do konwersji energii słonecznej bezpośrednio w wodór.

    Kolejnym krokiem naukowców jest opracowanie tej technologii niższym kosztem.

    "Jestem przekonany, że w ciągu 10 lat będzie możliwe stworzenie technologii opartej na tego typu badaniach, która będzie wystarczająco tania, aby konkurować z paliwami węglowymi" - twierdzi chemik. "To wyjaśnia, dlaczego [prezydent USA] Barack Obama inwestuje miliardy dolarów w tego typu badania".

    Profesor Sun prowadzi badania w tej dziedzinie od prawie 20 lat i, razem z kolegami, jest zdania, że wydajne katalizatory do utleniania wody mogą być brakującym elementem układanki słonecznej energii.

    "Jeśli chodzi o odnawialne źródła energii, jednym z najlepszych sposobów jest wykorzystanie Słońca" - mówi profesor Sun.

    Do badania tego przyczynili się naukowcy ze szwedzkiego Uniwersytetu w Uppsali oraz chińskiego Uniwersytetu Technologicznego w Dalian (DUT).

    Za: CORDIS

    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Sztuczna fotosynteza – pojęcie, które ogólnie obejmuje "skopiowanie" naturalnego procesu fotosyntezy, a także związane z tym badania, w celu otrzymania wysokoenergetycznych związków chemicznych z dwutlenku węgla i wody przy udziale energii słonecznej, czasami także pod pojęciem tym rozumiany jest rozkład wody na wodór i tlen za pomocą energii słonecznej. Termin dotyczy także starań naukowców, aby otrzymać z dwutlenku węgla i wody w reakcji sztucznej fotosyntezy płynne paliwo. Dla zapoczątkowania reakcji sztucznej fotosyntezy konieczne jest dostarczenie energii z zewnątrz, np. odnawialnej energii słonecznej lub energii wiatru. Postulat 100% energii odnawialnej pojawił się w związku z globalnym ociepleniem i innymi problemami ekologicznymi (np. zanieczyszczeniem powietrza) oraz gospodarczymi (np. wyczerpywanie się energetycznych surowców nieodnawialnych). Wzrost wykorzystywania odnawialnych źródeł energii następuje znacznie szybciej, niż ktokolwiek to przewidywał. Międzyrządowy Zespół ds. Zmian Klimatu stwierdził, że jest niewiele technologicznych granic integracji portfela technologii odnawialnych źródeł energii, aby zapewnić z nich większość całkowitego światowego zapotrzebowania na energię. Mark Z. Jacobson twierdzi, że rozpoczęcie produkcji całej nowej energii tylko z wiatru, energii słonecznej oraz energii wodnej jest możliwe w 2030 r., a istniejący system dostaw energii może zostać zastąpiony całkowicie do 2050 r. Przeszkody w realizacji planu 100% energii odnawialnej są postrzegane jako "przede wszystkim społeczne i polityczne, a nie technologiczne lub ekonomiczne". Jacobson wskazuje, że koszty energii z wiatru, słońca, wody powinny być podobne do dzisiejszych kosztów energii. Europejska Rada ds. Energii Odnawialnej (EREC) wskzuje, że Unia Europejska może do 2050 zmniejszyć emisję gazów cieplarnianych o ponad 90% jeśli cała produkcję energii przestawi na źródła odnawialne. Zrównoważona energia – efektywność energetyczna i energia odnawialna są uznawane za dwa filary zrównoważonej polityki energetycznej. Obie strategie muszą być rozwijane równocześnie, aby stabilizować i redukować emisje dwutlenku węgla oraz innych zanieczyszczeń. Wydajne używanie energii jest kluczowe dla spowalniania wzrostu zapotrzebowania na energię, tak by rosnące dostawy czystej energii mogły powodować głębsze redukcje w wykorzystaniu paliw kopalnych. Jeśli konsumpcja energii będzie rosła zbyt szybko, rozwój energii odnawialnej nie nadąży, by osiągnąć ten cel. Analogicznie, jeśli źródła czystej energii nie staną się powszechnie dostępne, spowolniony wzrost popytu w niewystarczającym stopniu przełoży się na ograniczenie całkowitych emisji węgla; potrzebne jest także zmniejszenie udziału węgla w źródłach energii. W związku z tym zrównoważona polityka energetyczna wymaga większych zobowiązań zarówno w odniesieniu do wydajności jak i źródeł odnawialnych.

    Parytet sieci (ang. grid parity) to określenie sytuacji, w której nowe źródło energii może dostarczać energii elektrycznej po koszcie uśrednionym mniejszym albo równym kosztowi nabycia energii w sieci energetycznej. Termin ten jest najczęściej używany w dyskusjach na temat nowych instalacji odnawialnych źródeł energii, w szczególności nowych technologii produkcji energii z biomasy, wiatrowej i słonecznej, które obecnie wchodzą na rynek. Konwersja energii jest zamianą jednej jej postaci na inną. W myśl zasady zachowania energii energia całkowita nie ulega zmianie. Jednak poszczególne składniki wchodzące w skład energii całkowitej mogą rosnąć lub maleć. W maszynach i urządzeniach energetycznych występuje zwykle kilka stopni konwersji energii.

    Katalizator – substancja chemiczna, która dodana do układu powoduje zmianę ścieżki kinetycznej reakcji chemicznej, na taką, która ma niższą energię aktywacji, czego efektem jest wzrost szybkości reakcji chemicznej. W trakcie procesów z udziałem katalizatora reakcja chemiczna przebiega drogą o energii mniejszej w stosunku do reakcji bez udziału katalizatora. Dzieje się tak, ponieważ w trakcie reakcji powstaje dodatkowy kompleks przejściowy katalizator-substrat, który ulega reakcji w wyniku dostarczenia mniejszej ilości energii niż dla reakcji bez udziału katalizatora. Polska Izba Gospodarcza Energii Odnawialnej (PIGEO) - jest to organizacja reprezentująca firmy działające na rynku energii źródeł odnawialnych w Polsce. Jest największą pozarządową organizacją w Polsce zrzeszającą członków działających w poszczególnych obszarach energii ze źródeł odnawialnych.

    Nieodnawialne źródła energii to wszelkie źródła energii, które nie odnawiają się w krótkim okresie. Ich wykorzystanie jest znacznie szybsze niż uzupełnianie zasobów. Ich przeciwieństwem są odnawialne źródła energii. Staw słoneczny – niskotemperaturowy, aktywny system wykorzystania energii słonecznej. Przekształca promieniowanie słoneczne w energię cieplną jednocześnie ją akumulując. Jego podstawową zaletą jest zdolność do magazynowania energii na długi okres, która może być później odzyskana poprzez użycie pompy ciepła.

    Potencjał techniczny energii – ilość energii, jaką w ciągu roku można pozyskać z zasobów (regionalnych, krajowych, międzynarodowych) za pomocą najlepszych i najnowocześniejszych technologii przetwarzania energii ze źródeł odnawialnych w jej końcowe nośniki, z uwzględnieniem ograniczeń przestrzennych i środowiskowych.

    Fototoinhibicja – to zjawisko hamowania fotosyntezy przy dużych natężeniach światła. Jeśli organizmy fotosyntetyzujące absorbują więcej światła niż może być wykorzystane w procesach fotosyntezy dochodzi do uszkodzenia aparatu fotosyntetycznego. Zjawisko fotoinhibcji zależne jest nie tylko od natężenie świtała, lecz także od warunków w jakich rośnie roślina. Do fotoinhibicji dochodzi często gdy przy niskich temperaturach ograniczających reakcje enzymatyczne roślina zostanie wystawiona na działanie silnego światła (np. w wiosenne poranki gdy natężenie światła jest duże a temperatura jest bliska zeru, przy przeniesieniu rośliny rosnącej w cieniu na miejsce w pełnym świetle), suszy, zasoleniu gleby. Rośliny posiadają mechanizmy pozwalające na adaptację do zmieniających się warunków świetlnych. Gdy jednak adaptacja do warunków świetlnych okaże się niewystarczająca dochodzi do obniżenia natężenia fotosyntezy mierzonej jako wydzielanie tlenu lub pobieranie CO2. Główna przyczyną obniżenia natężenia fotosyntezy jest uszkodzenie fotoukładu II. Akceptory elektronów, plastochinon A i B, przejmujące elektron wybity z centrum reakcji pozostają trwale w stanie zredukowanym, a centrum reakcji nie jest w stanie odbierać energii od anten fotosyntetycznych. Dochodzi do uszkodzenia białka D1 obecnego w fotoukładzie II, będącego miejscem przyłączenia plastochinonu B . Uszkodzone fotoukłady zostają wyłączone z fotosyntetycznego łańcucha transportu elektronów, aż do czasu degradacji uszkodzonego białka D1 i jego odtworzenia. Brak możliwości przekazania energii do centrum reakcji prowadzi do wytwarzania reaktywnych form tlenu co także może stać się przyczyna uszkodzenia fotoukładu II. Podczas fotoinhibicji dochodzi również do uszkodzenia kompleksu rozszczepiającego wodę z którego odłączane są jony manganu oraz polipeptydy peryferyjne.

    Wiatr słoneczny – strumień cząstek wypływających ze Słońca, składający się przede wszystkim z protonów i elektronów o dużej energii. Protony spokojnej fazy wiatru mają energię około 0,5 keV, zaś podczas rozbłysków rejestrowane są cząstki o energii do 1 GeV. Rozchodzą się one promieniście we wszystkich kierunkach. Badania sondy Ulysses wykazały, że w płaszczyźnie słonecznego równika prędkość wiatru jest średnio ponad dwukrotnie mniejsza, niż na szerokościach heliograficznych obszaru polarnego. Podczas szczytu aktywności słonecznej, gdy zanikają polarne dziury koronalne, prędkość wiatru emitowanego w kierunku bliskim osi obrotu Słońca zmniejsza się. Kogeneracja rozproszona - skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i cieplnej w układach położonych w bezpośrednim sąsiedztwie odbiorców energii, także z wykorzystanie odnawialnych źródeł energii. Jest przeciwieństwem systemu zaopatrzenia w energię cieplną i elektryczną z jednej centralnej elektrociepłowni. Zaletą kogeneracji rozproszonej jest uniknięcie kosztów rozbudowy sieci cieplnej i związanych z eksploatacją tej sieci strat ciepła. Rozproszenie źródeł energii (dywersyfikacja) zwiększa bezpieczeństwo energetyczne na obszarze jej stosowania.

    Energetyka słoneczna – gałąź przemysłu zajmująca się wykorzystaniem energii promieniowania słonecznego zaliczanej do odnawialnych źródeł energii. Od początku XXI wieku rozwija się w tempie około 40% rocznie. W 2012 roku łączna moc zainstalowanych ogniw słonecznych wynosiła 100 GW (wzrost o 41% w stosunku do 2011 roku, 900% od 2007 roku) i zaspokajały one 0,4% światowego zapotrzebowania na energię elektryczną. Los Alamos National Laboratory - laboratorium naukowe położone w pobliżu miasteczka Los Alamos w amerykańskim stanie Nowy Meksyk. Organizacyjnie podlega Departamentowi Energii Stanów Zjednoczonych. W pracach badawczych współpracuje z Uniwersytetem Kalifornijskim. Zatrudnia ponad 9000 pracowników, a jego roczny budżet to około 2,2 mld dolarów. Ośrodek prowadzi badania nad wieloma dziedzinami nauki, między innymi nad wykorzystaniem energii słonecznej i jądrowej do celów pokojowych. Jego rola w badaniach nad bronią nuklearną skupia się głównie na przeprowadzaniu komputerowych symulacji wybuchów jądrowych. Znajduje się tu superkomputer Roadrunner, który w 2008 roku jako pierwszy superkomputer w historii osiągnął wydajność ponad 1 PFLOPS.

    Generowanie energii w systemie rozproszonym (energetyka rozproszona) – wytwarzanie energii przez małe jednostki lub obiekty wytwórcze, przyłączone bezpośrednio do sieci rozdzielczych lub zlokalizowane w sieci elektroenergetycznej odbiorcy (za urządzeniami kontrolno-pomiarowymi), zwykle produkujące energię elektryczną ze źródeł energii odnawialnych lub niekonwencjonalnych, często w skojarzeniu z wytwarzaniem ciepła (kogeneracja rozproszona). Do sieci generacji rozproszonej należeć mogą np. prosumenci, kooperatywy energetyczne czy elektrownie komunalne. Hybrydowy układ wytwórczy – mały zespół współpracujących jednostek wytwórczych energii elektrycznej albo energii elektrycznej i ciepła, o zróżnicowanych nośnikach energii pierwotnej (odnawialne i nieodnawialne) lub zawierające układy do magazynowania energii, przy czym sterowanie i koordynacja ich współpracy odbywa się przy wykorzystaniu zaawansowanych układów energoelektronicznych.

    Dodano: 16.04.2012. 16:17  


    Najnowsze