कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण: टू-इन-वन तकनीक जो ग्रह को बचा सकती है

प्रकाश संश्लेषण: इस ग्रह पर जीवन के लिए मौलिक तंत्र, जीसीएसई जीव विज्ञान के छात्रों का संकट, और अब जलवायु परिवर्तन से लड़ने का एक संभावित तरीका। वैज्ञानिक एक कृत्रिम विधि विकसित करने के लिए कड़ी मेहनत कर रहे हैं जो नकल करता है कि कैसे पौधे CO2 को बदलने के लिए सूर्य के प्रकाश का उपयोग करते हैं और पानी को हम ईंधन के रूप में उपयोग कर सकते हैं। यदि यह काम करता है, तो यह हमारे लिए एक जीत का परिदृश्य होगा: न केवल हम इस तरह से उत्पादित अक्षय ऊर्जा से लाभान्वित होंगे, बल्कि यह वातावरण में CO2 के स्तर को कम करने का एक महत्वपूर्ण तरीका भी बन सकता है।

हालाँकि, प्रकाश संश्लेषण को विकसित करने में पौधों को अरबों साल लगे, और प्रकृति में जो होता है उसे दोहराना हमेशा आसान काम नहीं होता है। फिलहाल, कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण में बुनियादी कदम काम करते हैं, लेकिन बहुत कुशलता से नहीं। अच्छी खबर यह है कि इस क्षेत्र में अनुसंधान गति पकड़ रहा है और दुनिया भर में ऐसे समूह हैं जो इस अभिन्न प्रक्रिया का उपयोग करने की दिशा में कदम उठा रहे हैं।

द्वि-चरणीय प्रकाश संश्लेषण

प्रकाश संश्लेषण केवल सूर्य के प्रकाश को पकड़ने के बारे में नहीं है। तेज धूप में नहाती हुई छिपकली ऐसा कर सकती है। प्रकाश संश्लेषण इस ऊर्जा (फोटो बिट) को पकड़ने और संग्रहीत करने और इसे कार्बोहाइड्रेट (संश्लेषण बिट) में परिवर्तित करने के तरीके के रूप में पौधों में विकसित हुआ। पौधे इलेक्ट्रॉनों को मुक्त करने के लिए सूर्य के प्रकाश द्वारा संचालित प्रोटीन और एंजाइमों की एक श्रृंखला का उपयोग करते हैं, जो बदले में CO2 को जटिल कार्बोहाइड्रेट में परिवर्तित करने के लिए उपयोग किए जाते हैं। मूल रूप से, कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण समान चरणों का अनुसरण करता है।

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प्राकृतिक प्रकाश संश्लेषण में, जो प्राकृतिक कार्बन चक्र का हिस्सा है, हमारे पास प्रकाश, CO2 और पानी संयंत्र में जा रहा है और संयंत्र चीनी बनाता है, विश्वविद्यालय में इलेक्ट्रिकल और कंप्यूटर इंजीनियरिंग विभाग में काम कर रहे पीएचडी उम्मीदवार फिल डी लूना बताते हैं। टोरंटो का। कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण में, हम अकार्बनिक उपकरणों और सामग्रियों का उपयोग करते हैं। वास्तविक सौर-कटाई भाग सौर कोशिकाओं द्वारा किया जाता है और ऊर्जा-रूपांतरण भाग विद्युत रासायनिक [उत्प्रेरक की उपस्थिति में प्रतिक्रियाओं] द्वारा किया जाता है।

इस प्रक्रिया के साथ वास्तव में जो अपील करता है वह है दीर्घकालिक ऊर्जा भंडारण के लिए ईंधन का उत्पादन करने की क्षमता। यह मौजूदा अक्षय ऊर्जा स्रोतों की तुलना में बहुत अधिक है, यहां तक ​​​​कि उभरती बैटरी तकनीक के साथ भी। यदि सूरज नहीं निकला है या यदि यह हवा का दिन नहीं है, उदाहरण के लिए, सौर पैनल और पवन फार्म बस उत्पादन बंद कर देते हैं। डी लुना कहते हैं, जटिल ईंधन में लंबे समय तक मौसमी भंडारण और भंडारण के लिए, हमें एक बेहतर समाधान की आवश्यकता है। बैटरी दिन-प्रतिदिन, फ़ोन के लिए और यहाँ तक कि कारों के लिए भी बढ़िया हैं, लेकिन हम कभी भी बैटरी के साथ [Boeing] ७४७ चलाने वाले नहीं हैं।

हल करने के लिए चुनौतियां

जब सौर सेल बनाने की बात आती है - कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण की प्रक्रिया में पहला कदम - हमारे पास पहले से ही तकनीक है: सौर ऊर्जा प्रणाली। हालांकि, वर्तमान फोटोवोल्टिक पैनल, जो आमतौर पर अर्धचालक-आधारित सिस्टम हैं, प्रकृति की तुलना में अपेक्षाकृत महंगे और अक्षम हैं। एक नई तकनीक की जरूरत है; जो बहुत कम ऊर्जा बर्बाद करता है।

गैरी हेस्टिंग्स और उनकी टीम जॉर्जिया स्टेट यूनिवर्सिटी, अटलांटा , पौधों में मूल प्रक्रिया को देखते हुए एक शुरुआती बिंदु पर ठोकर खाई हो सकती है। प्रकाश संश्लेषण में, महत्वपूर्ण बिंदु में सेल में एक निश्चित दूरी पर इलेक्ट्रॉनों को स्थानांतरित करना शामिल है। बहुत ही सरल शब्दों में, यह सूर्य के प्रकाश के कारण होने वाली यह गति है जो बाद में ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है। हेस्टिंग्स ने दिखाया कि यह प्रक्रिया प्रकृति में बहुत कुशल है क्योंकि ये इलेक्ट्रॉन अपनी मूल स्थिति में वापस नहीं जा सकते हैं: यदि इलेक्ट्रॉन वापस वहीं जाता है जहां से आया था, तो सौर ऊर्जा खो जाती है। हालांकि यह संभावना पौधों में दुर्लभ है, यह सौर पैनलों में अक्सर होता है, यह बताते हुए कि वे वास्तविक चीज़ से कम कुशल क्यों हैं।

हेस्टिंग्स का मानना ​​​​है कि इस शोध से रासायनिक या ईंधन उत्पादन से संबंधित सौर-सेल प्रौद्योगिकियों को आगे बढ़ाने की संभावना है, लेकिन वह इस ओर इशारा करते हैं कि यह इस समय सिर्फ एक विचार है और यह अग्रिम जल्द ही किसी भी समय होने की संभावना नहीं है। इन विचारों के आधार पर तैयार की गई पूरी तरह से कृत्रिम सौर-सेल प्रौद्योगिकी के निर्माण के संदर्भ में, मेरा मानना ​​​​है कि भविष्य में प्रौद्योगिकी आगे बंद है, संभवत: अगले पांच वर्षों में प्रोटोटाइप के लिए भी नहीं।

एक समस्या शोधकर्ताओं का मानना ​​​​है कि हम हल करने के करीब हैं, प्रक्रिया में दूसरा चरण शामिल है: CO2 को ईंधन में परिवर्तित करना। चूंकि यह अणु बहुत स्थिर है और इसे तोड़ने के लिए अविश्वसनीय मात्रा में ऊर्जा लगती है, कृत्रिम प्रणाली आवश्यक ऊर्जा को कम करने और प्रतिक्रिया को तेज करने में मदद करने के लिए उत्प्रेरक का उपयोग करती है। हालाँकि, यह दृष्टिकोण समस्याओं का अपना सेट लाता है। पिछले दस वर्षों में मैंगनीज, टाइटेनियम और कोबाल्ट से बने उत्प्रेरकों के साथ कई प्रयास किए गए हैं, लेकिन लंबे समय तक उपयोग ने खुद को एक समस्या साबित कर दी है। सिद्धांत अच्छा लग सकता है, लेकिन वे या तो कुछ घंटों के बाद काम करना बंद कर देते हैं, अस्थिर हो जाते हैं, धीमा हो जाते हैं या अन्य रासायनिक प्रतिक्रियाओं को ट्रिगर करते हैं जो कोशिका को नुकसान पहुंचा सकते हैं।

परंतु ऐसा लगता है कि कनाडा और चीनी शोधकर्ताओं के बीच सहयोग ने जैकपॉट मारा है . उन्होंने एक तटस्थ पीएच में काम करने के लिए निकल, लोहा, कोबाल्ट और फास्फोरस को संयोजित करने का एक तरीका खोजा, जिससे सिस्टम को चलाना काफी आसान हो गया। चूंकि हमारा उत्प्रेरक तटस्थ पीएच इलेक्ट्रोलाइट में अच्छी तरह से काम कर सकता है, जो सीओ 2 कमी के लिए जरूरी है, हम [ए] झिल्ली मुक्त प्रणाली में सीओ 2 कमी के इलेक्ट्रोलिसिस चला सकते हैं, और इसलिए वोल्टेज को कम किया जा सकता है, विभाग से बो झांग कहते हैं फुडन विश्वविद्यालय, चीन में मैक्रोमोलेक्यूलर साइंस के। एक प्रभावशाली 64% विद्युत-से-रासायनिक शक्ति रूपांतरण के साथ, टीम अब कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण प्रणालियों के लिए उच्चतम दक्षता वाले रिकॉर्ड धारक हैं।

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हमारे पास अभी जो सबसे बड़ा मुद्दा है वह है पैमाना

उनके प्रयासों के लिए, टीम NRG COSIA कार्बन XPRIZE में सेमीफाइनल में पहुंची, जो उन्हें उनके शोध के लिए मिलियन जीत सकती थी। इसका उद्देश्य सफल प्रौद्योगिकियों को विकसित करना है जो बिजली संयंत्रों और औद्योगिक सुविधाओं से सीओ 2 उत्सर्जन को मूल्यवान उत्पादों में परिवर्तित कर देगा और उनकी बेहतर कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण प्रणाली के साथ, उनके पास एक अच्छा मौका है।

अगली चुनौती बढ़ रही है। अभी हमारे पास जो सबसे बड़ा मुद्दा है वह है पैमाना। जब हम बड़े होते हैं, तो हम दक्षता खो देते हैं, डी लुना कहते हैं, जो झांग के अध्ययन में भी शामिल थे। सौभाग्य से, शोधकर्ताओं ने सुधार की अपनी सूची समाप्त नहीं की है, और अब विभिन्न रचनाओं और विभिन्न विन्यासों के माध्यम से उत्प्रेरक को अधिक कुशल बनाने की कोशिश कर रहे हैं।

दो मोर्चों पर जीत

निश्चित रूप से अभी भी छोटी और लंबी अवधि दोनों में सुधार की गुंजाइश है, लेकिन कई लोगों का मानना ​​है कि कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण में भविष्य के लिए एक स्वच्छ और टिकाऊ तकनीक के रूप में एक महत्वपूर्ण उपकरण बनने की क्षमता है।

यह अविश्वसनीय रूप से रोमांचक है क्योंकि क्षेत्र इतनी तेज़ी से आगे बढ़ रहा है। व्यावसायीकरण के संदर्भ में, हम टिपिंग बिंदु पर हैं, डी लूना कहते हैं, कि क्या यह काम करता है, यह बहुत सारे कारकों पर निर्भर करने वाला है, जिसमें सार्वजनिक नीति और अक्षय ऊर्जा प्रौद्योगिकी को स्वीकार करने के लिए उद्योग द्वारा अपनाना शामिल है।

विज्ञान को ठीक करना वास्तव में केवल पहला कदम है। हेस्टिंग्स और झांग की पसंद के शोध के मद्देनजर अक्षय ऊर्जा के आसपास हमारी वैश्विक रणनीति में कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण को अवशोषित करने के लिए महत्वपूर्ण कदम आएगा। दाव बहुत ऊंचा है। यदि यह आगे बढ़ता है, तो हम दो मोर्चों पर जीतने के लिए खड़े हैं - न केवल ईंधन और रासायनिक उत्पादों का उत्पादन, बल्कि इस प्रक्रिया में हमारे कार्बन पदचिह्न को भी कम करना।