Meniru Alam untuk Membekalkan Tenaga Masa Depan
Penyelidik China mencapai kemajuan besar dalam teknologi tenaga bersih dengan membangunkan sistem yang menukarkan karbon dioksida dan air kepada bahan asas kimia bernilai hanya menggunakan cahaya matahari. Penemuan yang diperincikan dalam jurnal semakan rakan sebaya Nature Communications itu mendapat inspirasi daripada fotosintesis, iaitu proses semula jadi yang digunakan tumbuhan untuk menjana tenaga daripada cahaya matahari, air dan karbon atmosfera.
Kandungan
Pasukan penyelidik yang terdiri daripada saintis dari Akademi Sains China dan Universiti Sains dan Teknologi Hong Kong menghasilkan bahan khusus yang mampu menyimpan sejumlah kecil tenaga elektrik. Keupayaan menyimpan tenaga ini penting untuk menggerakkan tindak balas kimia yang diperlukan bagi menukarkan karbon dioksida kepada sebatian berguna tanpa bergantung pada bahan api fosil.
Apabila digabungkan dengan pemangkin yang membantu penukaran karbon dioksida, sistem itu membolehkan penghasilan karbon monoksida menggunakan tenaga suria. Bahan kimia perantara ini seterusnya boleh diproses menjadi bahan api hidrokarbon cecair, sekali gus menawarkan laluan berpotensi untuk membekalkan tenaga kepada sektor yang masih sukar menggunakan tenaga elektrik, termasuk penerbangan dan perkapalan.
Cara Fotosintesis Buatan Berfungsi
Proses menukarkan karbon dioksida kepada bahan api menggunakan cahaya matahari, yang dikenali sebagai fotomangkinan atau fotosintesis buatan, sekian lama menjadi matlamat penyelidikan tenaga bersih. Fotosintesis semula jadi membolehkan tumbuhan menyimpan tenaga suria dalam ikatan kimia dengan menghasilkan gula daripada karbon dioksida dan air. Saintis berusaha meniru kecekapan ini dalam persekitaran makmal untuk menghasilkan alternatif bahan api mampan yang boleh menggantikan produk petroleum.
Pasukan China menangani cabaran utama dalam fotosintesis buatan: keperluan menghubungkan beberapa tindak balas kimia kompleks secara serentak. Sistem semula jadi menggunakan mekanisme biologi canggih untuk menyimpan sementara elektron yang dijana oleh cahaya, sekali gus memudahkan pemindahan tenaga yang cekap antara peringkat tindak balas berbeza. Para penyelidik meniru strategi ini dengan merekayasa bahan tungsten trioksida terubah suai perak yang berfungsi sebagai takungan cas.
Pasukan penyelidik menghuraikan strategi penemuan mereka dalam makalah yang diterbitkan.
Kerja ini memperkenalkan strategi takungan cas berilhamkan biologi bagi fotopenurunan karbon dioksida yang cekap, sekali gus menyediakan pendekatan sejagat untuk penghasilan bahan api suria.
Bahan ini menyimpan elektron ketika terdedah kepada cahaya dan melepaskannya apabila diperlukan untuk menggerakkan tindak balas kimia. Prestasi sistem ini setanding dengan pendekatan yang menggunakan agen korban organik, yang lazimnya tidak mampan, sambil menawarkan kebolehgunaan sejagat apabila digabungkan dengan pelbagai pemangkin. Dalam keadaan cahaya matahari semula jadi, bahan ini berjaya mencetuskan tindak balas penukaran, menunjukkan potensinya untuk aplikasi bahan api suria praktikal tanpa memerlukan pencahayaan buatan atau sumber kuasa luaran.
Persaingan Global Semakin Sengit
Penemuan China itu berlaku ketika persaingan antarabangsa untuk membangunkan teknologi bahan api suria yang berdaya maju semakin sengit. Penyelidik di seluruh dunia sedang meneroka pendekatan selari untuk menukarkan karbon dioksida atmosfera kepada pembawa tenaga yang boleh digunakan, masing-masing dengan strategi teknikal dan aplikasi sasaran yang berbeza. Kemajuan serentak ini menunjukkan teknologi tersebut semakin hampir kepada daya maju komersial selepas puluhan tahun penyelidikan makmal.
Di Switzerland, saintis di ETH Zurich yang diketuai Profesor Aldo Steinfeld telah membangunkan loji perindustrian yang mengekstrak karbon dioksida dan air secara langsung daripada udara ambien. Dengan menggunakan tenaga suria pekat, kemudahan itu memisahkan sebatian berkenaan untuk menghasilkan gas sintesis, iaitu campuran hidrogen dan karbon monoksida, yang kemudiannya diproses menjadi minyak tanah dan metanol. Minyak tanah suria ini hanya membebaskan karbon dioksida sebanyak jumlah yang diserapnya semasa penghasilan apabila dibakar, sekali gus mencapai neutraliti karbon. Teknologi ini sudah cukup maju untuk penggunaan komersial, dengan pembiayaan telah diperoleh bagi kemudahan pengeluaran berskala industri di Jerman yang dijangka menunjukkan daya maju ekonomi proses itu.
Penyelidik Jepun juga memecahkan rekod kecekapan terdahulu menggunakan pendekatan berbeza. Saintis dari Institut Sains Tokyo dan Universiti Hiroshima membangunkan fotopemangkin oksihalida berasaskan plumbum yang baharu, yang meningkatkan aktiviti penghasilan hidrogen sehingga 60 kali ganda berbanding kaedah konvensional. Bahan itu mencapai hasil kuantum rekod kira-kira 15 peratus bagi penghasilan hidrogen dan 10 peratus bagi penukaran karbon dioksida kepada asid formik, sejenis bahan api cecair. Profesor Kazuhiko Maeda, yang mengetuai bersama penyelidikan itu, menjelaskan kepentingan penambahbaikan struktur tersebut.
Kajian ini menegaskan kepentingan mengawal morfologi oksihalida untuk menyerlahkan potensi penuhnya sebagai fotopemangkin.
Sementara itu, penyelidik di Universiti Cambridge membangunkan reaktor aliran berkuasa suria yang menangkap karbon dioksida secara langsung daripada atmosfera menggunakan penapis khusus. Peranti itu menyerap karbon dioksida pada waktu malam dan menukarkannya kepada gas sintesis apabila terdedah kepada cahaya matahari, tanpa menggunakan sumber kuasa luaran, kabel atau bateri. Cermin memusatkan cahaya matahari untuk menggerakkan tindak balas kimia, menawarkan pendekatan teragih yang boleh membolehkan penjanaan bahan api di lokasi terpencil tanpa sambungan kepada grid elektrik.
Saintis India turut menyumbang kepada usaha global ini. Profesor Indrajit Shown dari Institut Teknologi dan Sains Hindustan di Chennai membangunkan bahan berasaskan zink dan sulfur yang menangkap cahaya matahari untuk menukarkan karbon dioksida kepada asetaldehid, iaitu bahan ramuan bahan api. Sistem itu beroperasi kira-kira 200 kali lebih cekap berbanding kaedah terdahulu dengan menggunakan cahaya matahari biasa dan bukannya peralatan pencahayaan khusus. Profesor Shown menegaskan matlamat praktikal di sebalik penyelidikan itu.
Penyelidikan ini bertujuan mencari cara nyata untuk membantu planet ini, bukan sekadar mencapai kemajuan saintifik.
Sifat antarabangsa kemajuan ini menunjukkan teknologi bahan api suria semakin matang melalui pelbagai laluan bebas, sekali gus meningkatkan kemungkinan sekurang-kurangnya satu pendekatan mencapai kejayaan komersial.
Menyasarkan Penerbangan dan Perkapalan
Aplikasi berpotensi teknologi ini melangkaui pengangkutan konvensional kepada sektor yang menghadapi cabaran khusus untuk beralih kepada tenaga elektrik. Penerbangan, perkapalan dan industri berat sangat bergantung pada bahan api hidrokarbon cecair kerana ketumpatan tenaganya yang tinggi dan keserasiannya dengan infrastruktur sedia ada. Sektor-sektor ini secara keseluruhan menyumbang bahagian besar pelepasan karbon dioksida global, namun sukar beralih kepada teknologi bateri elektrik atau sel bahan api hidrogen.
Penerbangan menghadapi halangan yang amat besar dalam usaha menyahkarbon. Pesawat memerlukan bahan api dengan ketumpatan tenaga yang sangat tinggi untuk mengekalkan berat dan jarak operasi yang munasabah. Teknologi bateri semasa tidak dapat menyediakan simpanan tenaga yang mencukupi untuk penerbangan jarak jauh tanpa menambah berat yang keterlaluan sehingga operasi komersial tidak lagi berdaya maju. Industri penerbangan kini menghasilkan kira-kira tiga peratus daripada pelepasan karbon dioksida berpunca daripada kegiatan manusia di seluruh dunia, dan angka ini dijangka meningkat apabila jumlah penumpang bertambah kepada 7.5 bilion setahun menjelang 2035.
Bahan api berasaskan suria menawarkan penyelesaian yang menarik kerana boleh digunakan terus sebagai pengganti bahan api fosil konvensional. Minyak tanah yang dihasilkan daripada karbon dioksida dan cahaya matahari boleh menggerakkan enjin pesawat sedia ada tanpa pengubahsuaian, manakala metanol boleh digunakan sebagai bahan api marin atau bahan suapan kimia untuk pengeluaran farmaseutikal. Oleh sebab bahan api ini hanya membebaskan karbon dioksida yang ditangkap semasa penghasilannya, ia mewujudkan kitaran karbon tertutup yang mengelakkan penambahan gas rumah hijau baharu ke atmosfera sambil menggunakan infrastruktur pengedaran bahan api sedia ada.
Persatuan Pengangkutan Udara Antarabangsa mengenal pasti bahan api penerbangan mampan sebagai penting untuk mencapai pelepasan karbon dioksida sifar bersih menjelang 2050. Agensi Tenaga Antarabangsa mengunjurkan bahan api sedemikian boleh memenuhi 10 peratus permintaan bahan api penerbangan menjelang 2030, meningkat kepada hampir 20 peratus menjelang 2040. Namun, penggunaan bahan api mampan ketika ini masih di bawah 0.1 peratus daripada jumlah penggunaan, menunjukkan betapa besar peningkatan skala yang diperlukan untuk mencapai sasaran ini, meskipun teknologi berkenaan membuktikan potensinya dalam persekitaran makmal dan projek perintis.
Halangan kepada Penggunaan Komersial
Walaupun kemajuan saintifik amat mengagumkan, halangan besar masih membatasi penggunaan meluas teknologi bahan api suria. Kos kekal sebagai halangan utama kepada daya maju komersial. Penyelidik Switzerland menganggarkan minyak tanah suria yang dihasilkan secara besar-besaran akan berharga antara $1.35 hingga $2.20 seliter. Walaupun ini menunjukkan kemajuan ke arah daya saing dengan bahan api jet konvensional, keperluan pelaburan awal yang tinggi bagi loji berskala industri menyukarkan pelaksanaan dan menimbulkan risiko kepada pelabur awal.
Kekangan geografi turut mengehadkan potensi pengeluaran. Penjanaan bahan api suria memerlukan cahaya matahari yang banyak, menjadikan kawasan gurun lokasi ideal untuk kemudahan pengeluaran. Namun, pengangkutan bahan api yang dihasilkan dari lokasi gurun terpencil ke hab pengangkutan utama memerlukan pelaburan infrastruktur dan penyelarasan logistik yang besar. Tidak seperti biofuel, yang sering bersaing dengan pengeluaran makanan untuk mendapatkan tanah pertanian, bahan api suria boleh menggunakan kawasan gurun yang tidak sesuai untuk pertanian. Ini membolehkan tanah pertanian berharga dikekalkan untuk tanaman dan ternakan, sambil memanfaatkan kawasan yang menerima sinaran suria tinggi.
Cabaran teknikal masih berterusan dalam meningkatkan kecekapan penukaran dan ketahanan sistem. Walaupun penemuan terkini menunjukkan peningkatan besar berbanding teknologi terdahulu, sistem semasa masih hanya menukarkan sebahagian kecil tenaga suria yang tersedia kepada ikatan kimia. Sebagai perbandingan, fotosintesis semula jadi beroperasi pada kecekapan kira-kira satu peratus, manakala pencapaian makmal terkini mencapai 13 hingga 15 peratus dalam langkah tindak balas tertentu, menurut penyelidikan yang diterbitkan dalam Science. Penyelidikan selanjutnya perlu memberi tumpuan kepada pembangunan pemangkin yang lebih cekap, penambahbaikan mekanisme pemisahan cas dan penciptaan sistem yang berfungsi dengan andal dalam keadaan dunia sebenar, bukan hanya dalam persekitaran makmal terkawal dengan suhu dan tahap kelembapan yang konsisten.
Sokongan dasar dilihat penting untuk merapatkan jurang antara kejayaan makmal dengan penggunaan komersial. Penyelidik mencadangkan pelaksanaan sistem kuota yang mewajibkan syarikat penerbangan mendapatkan peratusan tertentu bahan api daripada sumber mampan, sekali gus mewujudkan permintaan terjamin yang dapat mewajarkan pelaburan infrastruktur. Rangka kerja kawal selia sedemikian boleh mempercepat peningkatan skala dan mengurangkan kos melalui peningkatan jumlah pengeluaran, mengikut model yang berjaya menurunkan kos panel fotovolta suria dan turbin angin sepanjang dua dekad lalu.
Perkara Utama
- Saintis China membangunkan sistem berilhamkan tumbuhan yang menggunakan tungsten trioksida terubah suai perak untuk menukarkan karbon dioksida dan air kepada bahan pendahulu bahan api menggunakan cahaya matahari. Penyelidikan itu diterbitkan dalam Nature Communications.
- Teknologi ini menggunakan strategi takungan cas yang menyimpan tenaga elektrik untuk menggerakkan tindak balas kimia, sekali gus menghapuskan keperluan terhadap agen korban yang tidak mampan.
- Usaha penyelidikan selari di Switzerland, Jepun, United Kingdom dan India meneroka teknologi bahan api suria serupa dengan pendekatan dan tahap kecekapan yang berbeza.
- Bahan api suria berpotensi besar untuk menyahkarbon sektor penerbangan dan perkapalan, yang sukar beralih kepada tenaga elektrik kerana memerlukan ketumpatan tenaga yang tinggi.
- Anggaran kos minyak tanah suria semasa adalah antara $1.35 hingga $2.20 seliter, dengan pelaburan infrastruktur besar diperlukan bagi pengeluaran berskala besar.
- Agensi Tenaga Antarabangsa mengunjurkan bahan api penerbangan mampan boleh memenuhi 10% permintaan menjelang 2030 dan 20% menjelang 2040 jika cabaran peningkatan skala dapat diatasi.
