A tecnologia de energia verde inspirada na natureza

O cientista Heinz Frei passou décadas trabalhando para construir uma versão artificial de uma das máquinas mais elegantes e eficazes da natureza: a folha. Frei, e muitos outros pesquisadores em todo o mundo, procuram usar a fotossíntese – a reação química causada pela luz solar que as plantas e as algas verdes usam para converter dióxido de carbono (CO 2 ) em combustível celular – para gerar os tipos de combustível que podem abastecer nossas casas e veículos.

Se a tecnologia necessária puder ser refinada além de modelos teóricos e protótipos em escala de laboratório, essa ideia, conhecida como fotossíntese artificial, tem o potencial de gerar grandes fontes de energia completamente renovável usando o excesso de CO 2 em nossa atmosfera.

Com seu mais recente avanço, Frei e sua equipe no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) agora estão se aproximando desse objetivo. Os cientistas desenvolveram um sistema de fotossíntese artificial, feito de tubos nanosizados, que parece capaz de executar todas as etapas principais da reação geradora de combustível.

Seu último artigo, publicado em Advanced Functional Materials , demonstra que seu design permite o fluxo rápido de prótons do espaço interior do tubo, onde são gerados a partir da divisão de moléculas de água , para o exterior, onde combinam-se com CO 2 e elétrons para formar o combustível. Atualmente, esse combustível é monóxido de carbono, mas a equipe está trabalhando para produzir metanol. O fluxo rápido de prótons, essencial para o aproveitamento eficiente da energia da luz solar para formar um combustível, foi um espinho no lado dos sistemas de fotossíntese artificial anteriores.

Agora que a equipe mostrou como os tubos podem executar todas as tarefas fotossintéticas individualmente, eles estão prontos para começar a testar o sistema completo. A unidade individual do sistema será composta por pequenas telhas quadradas de combustível solar (várias polegadas de um lado) contendo bilhões de tubos em nanoescala imprensados ​​entre o piso e o teto de silicato fino e levemente flexível, com as aberturas dos tubos perfurando essas tampas. Frei espera que os ladrilhos de seu grupo possam ser os primeiros a resolver os principais obstáculos que ainda enfrentam esse tipo de tecnologia.

“Existem dois desafios que ainda não foram superados”, disse Frei, cientista sênior da área de biociências do Berkeley Lab. “Uma delas é a escalabilidade. Se queremos manter os combustíveis fósseis no solo, precisamos ser capazes de gerar energia em terawatts – uma enorme quantidade de combustível. E você precisa produzir um combustível líquido de hidrocarboneto para que possamos realmente use-o com os trilhões de dólares em infraestrutura e tecnologia existentes “.

Ele observou que, uma vez que um modelo que atenda a esses requisitos seja feito, a construção de uma fazenda de combustível solar a partir de muitos ladrilhos individuais poderá prosseguir rapidamente. “Nós, como cientistas básicos, precisamos entregar um bloco que funcione, com todas as perguntas sobre seu desempenho resolvidas. E os engenheiros da indústria sabem como conectar esses blocos. Quando descobrirmos polegadas quadradas, eles poderão fazer milhas quadradas.”

Como funciona

Cada tubo oco minúsculo (com cerca de 0,5 micrômetro de largura) dentro do ladrilho é composto de três camadas: uma camada interna de óxido de cobalto, uma camada intermediária de sílica e uma camada externa de dióxido de titânio. Na camada interna do tubo, a energia da luz solar fornecida ao óxido de cobalto divide a água (na forma de ar úmido que flui através do interior de cada tubo), produzindo prótons e oxigênio livres.

“Esses prótons fluem facilmente para a camada externa, onde se combinam com dióxido de carbono para formar agora monóxido de carbono – e metanol em uma etapa futura – em um processo ativado por um catalisador suportado pela camada de dióxido de titânio”, disse Won Jun Jo, pós-doutorado e primeiro autor do artigo. “O combustível se reúne no espaço entre os tubos e pode ser facilmente drenado para a coleta”.

É importante ressaltar que a camada intermediária da parede do tubo mantém o oxigênio produzido pela oxidação da água no interior do tubo e impede que o dióxido de carbono e as moléculas de combustível em evolução do lado de fora permeiem para o interior, separando assim as duas reações químicas muito incompatíveis zonas.

Esse projeto imita as células fotossintéticas vivas reais, que separam as reações de oxidação e redução com os compartimentos orgânicos da membrana no interior do cloroplasto. Da mesma forma, de acordo com o plano original da natureza, os tubos de membrana da equipe permitem que a reação fotossintética ocorra a uma distância muito curta, minimizando a perda de energia que ocorre à medida que os íons viajam e impedindo reações químicas indesejadas que também reduziriam a eficiência do sistema.

“Este trabalho faz parte do compromisso da Berkeley Lab de contribuir com soluções para os desafios urgentes de energia colocados pelas mudanças climáticas”, afirmou Frei. “A natureza interdisciplinar da tarefa requer a amplitude de conhecimento e as principais instalações exclusivas do Berkeley Lab. Em particular, os recursos de nanofabricação e imagem da Molecular Foundry são essenciais para sintetizar e caracterizar as camadas ultrafinas e criar matrizes de tamanho de polegada quadrada. nanotubos ocos “.

Com as informações Meio Ambiente Rio

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