Топливо из воды и солнечного света стало на шаг ближе

Топливо из воды и солнечного света стало на шаг ближе

Ученые вплотную приблизились к моменту создания универсального источника альтернативной энергии в виде насыщенной энергетикой Солнца воды.

Found_New_Cheap_Materials_Make_Solar_Fuel_From_Solar_Energy_And_WaterИдея создания принципиально нового и по-настоящему «дармового» и возобновляемого источника нескончаемой энергии волнует научное сообщество вот уже на протяжении столетия, вынуждая самые светлые умы биться над вопросом разработки дешевого и доступного способа преобразования света Солнца в так называемое солнечное топливо. Сегодняшняя ситуация такова, что полученная путем преобразования солнечного света электроэнергия требует незамедлительного использования, то есть непосредственной подачи в электрическую сеть для запитывания подключенных к ней потребителей, а альтернативным вариантом для ее последующего хранения становятся аккумуляторные батареи. Непрактичность такого метода накопления и «содержания» солнечной энергии очевидна — аккумуляторы отличаются огромной массой и очень высокой ценой, что дополняется сопровождающими этот механизм энергетическими потерями на всех этапах транспортировки и преобразования. Самый востребованный вариант «употребления» полученной от земного светила энергии — электромобили, становятся своеобразными заложниками ситуации, что существенно снижает интерес автопроизводителей к этому перспективному сегменту автомобилестроения. Большой вес аккумуляторов и неудобные для проектирования небольших по размерам авто массогабаритные параметры батарей сводят к нулю получаемые преимущества — для сопоставимых с бензиновыми «собратьями» характеристик придется создавать более тяжелые и обладающие значительно большими по мощности двигателей транспортные средства.

В связи с этим вот уже на протяжении четырех десятилетий ученые бьются над решением задачи, позволяющей получить так называемое «солнечное топливо», основными компонентами которой станут вода и солнечный свет. В простых словах это сочетание означает возможность «зарядить» находящуюся в огромных количествах на планете воду с помощью Солнца, превратив ее в перспективный вид автомобильного топлива без промежуточного преобразования в электроэнергию. Для этого необходимо добиться определенного течения химических процессов, происходящих с водой под воздействием солнечной энергии. Состоящее из одного атома кислорода и двух атомов водорода вещество категорически отказывается расщепляться в обычных условиях под лучами земного светила, ведь в противном случае вместо необъятных океанов и морей на Земле бы не осталось ровным счетом ничего кроме безжизненной пустыни. Именно над этой проблемой — созданием особых условий для разъединения и последующего соединения атомов водорода в новые структуры, и работают специалисты из Национальной лаборатории энергетики Беркли совместно с коллегами из Калифорнийского технологического института (CalTech). В течение двух последних лет сформированной под эгидой спонсируемого из государственного бюджета Соединенных Штатов Америки научного проекта группе исследователей удалось значительно продвинуться в очень важном для всего человечества вопросе.

Стоящая перед учеными цель позволит в самом ближайшем будущем получать экологически чистую энергию в виде водорода — горючего газа, или углеводородного топлива с минимальными затратами. Для этого требуется разъединить содержащиеся в воде кислород и два атома водорода на отдельные частицы, чтобы с помощью катализатора спровоцировать «воссоединение» разделенных атомов водорода без участия кислорода для образования горючего газа (H2) или за счет добавления в формулу CO2 — углекислого газа, получить на выходе углеводородное топливо. В обоих случаях необходимо участие уникального по свойствам катализатора — своеобразного «фотоанода», заставляющего молекулы воды отделяться друг от друга и образовывать новые химические элементы в буквальном смысле «по мановению волшебной палочки», а точнее, под воздействием ультрафиолетового излучения. Еще 40 лет назад ученое сообщество приступило к поиску такого катализатора, испробовав в практических тестах огромное количество элементов, присутствующих в химической таблице Менделеева. В ходе исследований им удалось определить 16 материалов, способных выступать в качестве фотоанода, но чрезмерная дороговизна основанной на их применении технологии исключила вероятность появления «супертоплива». В отличие от предыдущих исследований, которые отталкивались от проведения практических тестов в лабораторных условиях, современные ученые взяли в помощники мощнейшую вычислительную технику.

Компьютерные алгоритмы помогли создать универсальный метод идентификации новых материалов на атомарном уровне, с помощью которого участники исследования обнаружили 12 новых перспективных фотоанодов, обладающих необходимыми свойствами для организации нужной химической реакции. Промежуточные результаты двухлетней научной работы коллектива под руководством Джона Грегуара опубликованы на страницах электронного научно-технического издания «Труды Национальной Академии Наук» (Proceedings of the National Academy of Sciences) от 6 марта 2017 года. По словам Джеффри Нитона, возглавляющего молекулярную лабораторию Molecular Foundry, полученные исследователями результаты отличаются от работ предшественников тем, что «сочетают в себе и эксперименты, и теорию», позволяя «узнать что-то новое о базовой электронной структуре самих материалов» и методах получения солнечного топлива. Дальнейшая исследовательская работа, проведенная в тесном взаимодействии со специалистами из Объединенного центра искусственного фотосинтеза (JCAP) и Национального энергетического научно-исследовательского вычислительного центра (NERSC), позволит еще на один шаг приблизиться к амбициозной цели — разработке методики получения универсального автомобильного топлива из воды и солнечного света с применением недорогих и легкодоступных материалов — дешевого и практичного фотоанода. Какой из 12-ти обнаруженных исследователями новых «претендентов» на применение в этой схеме в качестве катализатора станет идеальным во всех отношениях фотоанодом, ученые планируют выяснить уже в самое ближайшее время. Об итогах следующего этапа научно-исследовательской работы специалисты расскажут сразу после получения первых практических результатов испытаний химических элементов на основе ванадата в качестве катализирующего реакцию деления воды и образования водорода вещества.

Олег Нестеров
comments powered by HyperComments