Искусственный фотосинтез – процесс, который приведет к массовому получению чистой энергии. Новейшие технологические разработки сделали возможным его обеспечение. В процессе искусственного фотосинтеза производится расщепление воды солнечным светом, так что образуются кислород и водород – экологически чистое топливо. Катализатор для разложения воды уже создан немецкими учеными. Британские исследователи из Кембриджа пошли иным путем: они разработали вариант полуискусственного фотосинтеза, за счет использования отдельных живых организмов.
Энергия, применяемая человечеством, в основном объеме поступает от Солнца, за исключением энергии, получаемой от распада урана. В всех видах ископаемого топлива – будь то нефть или газ - заключена солнечная энергия прошлых эпох. Живая природа использует энергию солнца для фотосинтеза. Фотон, «прилетевший» к растениям вместе с солнечными лучами, помогает разбивать молекулы воды на кислород и водород. При этом кислород машинально отбрасывается, поступая во внешнюю среду, а водород используется для соединения с углекислым газом и преобразования в органическое питание. Энергия химических связей между углеродом и водородом наглядно предстает в процессе сжигания топлива или древесины.
Фотосинтез проводится растениями так эффективно, что людям нет нужды вмешиваться в него. Достаточно сажать больше зеленых растений, деревьев, лесов – и процесс будет идти сам собой. Но если все-таки вмешаться и притормозить фотосинтез на стадии расщепления воды, то водород и кислород по отдельности можно использовать. Природа не додумалась объединить процессы для выработки энергетики, для этого существуют другие химические реакции. Тогда как возросшие потребности человечества в энергии позволяют рассматривать их в качестве потенциального решения такой проблемы.
Немецкие ученые Йохен Фельдман и Яцек Столарчик из Мюнхена, а также Франк Вюртнер из Вюрцбурга занимаются проблемой искусственного фотосинтеза уже много лет. Они предлагают использовать полупроводники для того, чтобы разделять воду на водород и кислород и чтобы не давать им соединяться обратно. Если попытаться осуществить «окисление» кислорода, можно добиться важных результатов.
В итоге было предложено использование т.н. наночастиц – стержней из сульфата кадмия, с нанесением на концы платины и на остальную поверхность – рутения. Возбужденные электроны акцептируются на концах и стимулируют реакцию восстановления водорода. Боковые поверхности обеспечивают доставку положительных зарядов к ионам кислорода. Так что один стержень осуществляет полное расщепление воды.
В Кембридже ученые продумали и осуществили иной вариант. Энергия солнечного света используется даже более эффективно, чем фотосинтез в растениях. В одной разработке объединены инженерные технологии и компоненты живых природных систем. Полуискусственный фотосинтез может быть проведен безо всяких токсичных катализаторов, причем в масштабе промышленного уровня. Природная фотосистема с использованием молекулярного оборудования и добавлением фермента гидрогеназа из водорослей позволила восстановить протоны до молекул водорода. Природный фотосинтез на это не способен: там при расщеплении воды частицы тут же становятся участниками других биохимических реакций. Однако ученые встали в тупик: как объединить в одной системе расщепление воды и реакцию с ферментом. Оптимизация природного процесса позволила воплотить эту идею в жизнь.
«Зеленая энергия» - энергия будущего. Она станет основой всей жизнедеятельности. Сегодня проблема искусственного фотосинтеза – одна из самых актуальных для науки. Разработки в этой области затронут все без исключения промышленные технологии и знаменуют конец эры ископаемого топлива.