光合作用還能用來開車?讓比爾蓋茲告訴你!

一向看好新能源的比爾.蓋茲格外關注人工光合作用。2015年,他還和多位全球商界名人聯合成立了一個旨在全球範圍內開發清潔能源的機構—突破能源聯盟 ( Breakthrough Energy Coalition )。該機構將著力於在5個關鍵領域發展清潔能源:發電、儲藏、交通、工業、農業,主要宗旨是讓能源體系變得更有效。
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Photo credit: flickr

本文來自合作媒體 極客公園, INSIDE 經授權後轉載。

人工光合作用

作為自然界中的一項重要過程,光合作用不僅養活了植物本身,還養活了地球上的其他生物,包括人類。植物把二氧化碳和水轉化成碳水化合物和氧氣,其中碳水化合物供植物消耗,釋放的氧氣則是人類和其他動物生存的前提。

 植物複雜化學過程中的重要一步就是將水拆分為氫和氧,如果跳出植物的視角,我們能否自己利用陽光來生產可供燃燒的氫氣呢?這是人工光合作用(Artificial Photosynthesis)的核心問題。「如果可行的話,這將是一件神奇的事。」比爾‧蓋茲在接受路透社的採訪時說道:「因為液態氫不像電池那樣存在間歇性故障,你可以把液體氫裝在燃料罐裡,隨時需要隨時燃燒。」

人工光合作用的目的是利用陽光將海水、河水分解成氫氣、氧氣、碳成分。其中,氫氣是電動汽車絕佳的燃料,也能用來儲存太陽能,和電池相比,像氫氣這樣的液體燃料有著獨特優勢——重量輕、體積小。

 人工光合作用簡圖如下:

頂部薄膜可吸收陽光、二氧化碳和水,同時允許氧氣釋放;內部薄膜的特定分子可幫助催化反應並生成燃料,底層將燃料轉移保存。

 

將人工光合作用的產物按一定比例混合後還能得到甲醇,甲醇因為各種優勢而被當作內燃機的燃料。目前中國是世界上最大的甲醇消耗國,一些地區的加油站為私家車提供的是混合了 15% 或更少甲醇的汽油,而運輸車輛使用的汽油中甲醇的比例可高達 85%。

當然,氫氣並不是最理想的燃料,因為世界上絕大部分的基礎設施都是針對更高密度的能耗供應來建造的,比如汽油和天然氣。清潔制氫的最直接收益大概就是有助於氨肥的可持續生產。所以,人們可能更傾向於把氫氣當作一種輔助性材料。斯坦福大學教授 Jens Norskov 說:「我覺得氫氣可以作為一種提升其他技術的手段。」

人工光合作用還能和固氮細菌「聯姻」。前者產生的氫氣能幫助固氮細菌在土壤中合成氮肥料。這一技術能在不使用傳統化肥的情況下能大大提高農作物產量。除此之外,這些細菌還能將人工光合作用產生的氫氣變成一系列的「寶貝」:藥物、肥料、燃料、塑料,這些都由細菌體內的新陳代謝決定。

 

影片來源:thegatesnotes

挑戰與希望並存

人工光合作用面臨的主要挑戰是,如何提高轉化效率。自然狀態下的光合作用效率很低,植物只將約 1% 的二氧化碳和水轉化成了碳水化合物。實驗室的轉化效率能達到 10%,而澳大利亞的莫納什大學(Monash University)的研究人員將轉化效率提升到了 22%。但要滿足未來對氫能源的需求,目前的水平還不夠。

一向看好新能源的比爾.蓋茲格外關注人工光合作用。2015 年,他還和多位全球商界名人聯合成立了一個旨在全球範圍內開發清潔能源的機構—突破能源聯盟 ( Breakthrough Energy Coalition )。該機構將著力於在 5 個關鍵領域發展清潔能源:發電、儲藏、交通、工業、農業,主要宗旨是讓能源體系變得更有效。馬雲、馬克.祖克伯、貝佐斯等都是該基金會的投資人。

比爾.蓋茲把新形式的能源發展視作非常重要,並希望打亂現有的能源機構,刺激更多的新發現,為能源發展做出有意義的改變。

「我們想給大家一個驚喜,讓他們知道用新的方式生產能源既可以是清潔的又能是經濟的,」比爾.蓋茲說道:「要避免化石能源危機,我們要全力以赴地投入研究。」