Nové palivá z umelej fotosyntézy na mydlových bublinách

Môžete vytvárať nové palivá s nulovými emisiami pomocou rovnakých procesov implementovaných prírodou? Áno, podľa výskumníkov z univerzity v Uppsale, ktorí vedú výskumný projekt SoFiA (umelá fotosyntéza mydlového filmu), na ktorej participujú aj Leidenská univerzita, Amsterdamská univerzita, Polytechnická univerzita v Turíne a viaceré medzinárodné výskumné ústavy.

Cieľom projektu, ktorý v roku 2019 získal od Európskej komisie finančné prostriedky vo výške 3,2 milióna eur, je transformovať CO2 na palivo a suroviny pre priemysel napodobňovaním tylakoidnej membrány listov, kde prebieha svetelná fáza fotosyntézy.

Dnes sa ciele projektu SoFiA zdajú bližšie: najnovší dôležitý príspevok pochádza od výskumníkov z Turínska polytechnika, ktorí v novo publikovanej štúdii po prvý raz preukázali možnosť využitia i mydlový film ako reaktívne membrány, ktoré dláždia cestu pre výrobu solárnych palív z CO2.

O krok bližšie k solárnym palivám vyrábaným... zo vzduchu
Oxid uhličitý je zdroj a atmosféra je jeho... „moja“

Ako vytvoriť mydlovú bublinu: talianska štúdia

Nová štúdia o Turínska polytechnika, práve zverejnené na „Fyzické kontrolné listy” tímom výskumníkov koordinovaným profesorom Eliodoro Chiavazzo, ukazuje, ako vytvoriť nesymetrie v mydlových filmochalebo ako navrhnúť “tenké steny veľmi bežných mydlových bublín“.

Mydlové fólie majú typickú symetrickú, sendvičovú konformáciu, v ktorej sú dve tenké povrchovo aktívne filmy obsahujú určitý objem vody: výskumníci vyvinuli proces, ktorý umožňuje túto symetriu „narušiť“ využitím asymetrického ukladania chemických látok prostredníctvom aerosólu na povrchy filmu.

Tento výsledok sa premieta do možnosti použitia mydlových filmov ako reaktívne membrány (samoliečiteľná a nízkonákladová) pre rôzne energetické aplikácie, vrátane i fotokatalytické procesy na výrobu solárnych palív, ako je oxid uhoľnatý z CO2. Tam prirodzená fotosyntéza, v skutočnosti je založený práve na asymetrii.

"Sme hrdí, že príspevok Polytechniky bol rozhodujúci pri identifikácii správnej dopingovej techniky a pri formulovaní teoretického pochopenia procesov, ktoré sú základom tejto technológie.“ vysvetľuje profesor Eliodoro Chiavazzo.

"Ukázali to na mydlových filmoch“, pokračuje profesor, „má veľkú hodnotu nielen vedeckú, ale aj technologickú, pretože nám poskytuje lacnú a ľahko zostaviteľnú platformu, v ktorej je možné kontrolovať stupeň symetrie v atomistickom meradle".

Prekvapenia chémie: plastový odpad sa tak stáva mydlom
Chémia budúcnosti: nové výzvy priemyslu pre udržateľnosť

SoFiA, možná umelá fotosyntéza na mydlovom filme

Nová štúdia turínskej polytechniky je najnovším dôležitým príspevkom k veľkému výskumnému projektu, ktorý sa začal v roku 2019 a ktorý umožnila spolupráca mnohých univerzít a výskumných centier na medzinárodnej úrovni: „Spolu s medzinárodnou skupinou kolegov už roky pracujeme na využití takých filmových štruktúr, ako sú reaktívne membrány„Vysvetľuje Luca Bergamasco, medzi autormi štúdie.

Výskum je súčasťou multidisciplinárneho programu European Project SoFiA (umelá fotosyntéza mydlového filmu), ktorá zahŕňa okrem iného ajUniverzita v Uppsale, TheUniverzita v Leidene aAmsterdamská univerzita.

Základom projektu je ambiciózny cieľ napodobňujú tylakoidnú membránu listov, ten, v ktorom prebiehajú procesy svetelnej fázy fotosyntézy, na vytvorenie umelej „syntézy chlorofylu“, z ktorej sa získavajú solárne palivá.

"Fotosyntéza zachytáva slnečné svetlo a jeho energiu využíva na poháňanie chemických reakcií, ktoré akumulujú energeticky bohaté látky, ako sú sacharidy“, Vysvetľuje Leif Hammarström, profesor chemickej fyziky v laboratóriu Ångström na univerzite v Uppsale, ako aj koordinátor projektu.

Plast a chémia: všetky obrysy... „nebezpečného“ vzťahu
Na zmenu morského ekosystému stačí kvapka ropy

Umelá fotosyntéza ako skutočná alternatíva k fosíliám

Väčšina palív ako etanol a vodík sa v súčasnosti vyrába z fosílne zdrojevyužíva ropu ako surovinu. Podľa vedcov však umelá fotosyntéza predstavuje platnú, udržateľnú a efektívnu alternatívu k tomuto procesu. Ako náhrada za ropné deriváty, sú používané slnko, voda, CO2 a tenký film mydla.

Pomocou techniky podobnej ako solárne bunkyumelá fotosyntéza, ktorú študoval profesor Hammarström, je schopná vyrábať palivo v plynnej alebo kvapalnej forme, simulujúc to, čo sa deje v rastlinách, t. j. transformáciu slnečnej energie na chemickú energiu.

Myšlienkou vedcov je preto napodobniť tylakoidnú membránu pomocou mydlových filmov obsahujúcich triedy katalytické povrchovo aktívne látky molekuly získané z veľmi hojné materiály na Zemi.

"Väčšina nášho výskumu sa točí okolo základnej vedeckej práce, kde sa snažíme pochopiť prvé princípy a vyvinúť nové katalyzátory a mechanizmy“ vysvetľuje Hammarström v rozhovore v roku 2022, „je to o urýchliť chemickú reakciu aby sa procesy stali energeticky efektívnejšie".

Genetické inžinierstvo pre udržateľné poľnohospodárstvo a potravinárstvo
Tu je prvá vanilková zmrzlina vyrobená z... plastového odpadu

Fotosyntéza pre trvalo udržateľné palivá: za... mydlom

Na Katedre chémie o Laboratórium Ångström nie je to len skupina Leifa Hammarströma zaneprázdnená mydlovými bublinami a povrchovo aktívnymi látkami. Vo výskumnom tíme, ktorý koordinuje Pia Lindbergová, napríklad sa snažíme získať nefosílne palivá využívaním prirodzenej fotosyntézy, ktorú vykonáva geneticky modifikované cyanobaktérie.

Bežne sinice využívajú na rast fotosyntézu, alegenetické inžinierstvo môže ich „presvedčiť“, aby urobili niečo úplne iné, napr vyrábať butanol.

"Cieľom je vyrábať obnoviteľné chemikálie a palivá z oxidu uhličitého v atmosfére pomocou mikroorganizmov“, vysvetľuje Lindberg, „použiť fotosyntézu priamo v geneticky modifikovaných mikroorganizmoch, kde môžeme kontrolovať, čo mikroorganizmus robí a produkuje".

Veľkou výhodou tejto metódy, vysvetľuje profesor Lindberg, je, že „využíva oxid uhličitý z atmosféry, čo znamená, že nepotrebuje cukor, ale plne využíva vlastný proces tela".

Najnovšie výsledky tejto línie výskumu sa datujú do mája 2023, keď tím Lindberg zverejnil štúdiu, ktorá dokazuje, že modifikované sinice môžu produkovať izoprén (a udržateľné syntetické palivo ideálne pre letectvo), využívajúce slnečnú energiu a oxid uhličitý prítomný vo vzduchu.

Ambiciózny projekt výroby palív s nulovými emisiami CO2, ktorý zahŕňa skupiny výskumníkov z celého sveta, je stále bližšie k realite.

Zachytávanie a ukladanie uhlíka: ako by sme mali používať CO2?
Zachytávanie a ukladanie CO2: 5 stratégií na ceste k čistej nule