Tumbuhan menggunakan fotosintesis untuk membuat makanan dari energi matahari. Lewis bekerja untuk meniru proses itu untuk menciptakan bahan bakar yang bersih menggunakan air dan sinar matahari.
Sel tanaman. Kredit Gambar: Kristian Peters
Tumbuhan menemukan bahwa cara terbaik untuk membuat dan memanfaatkan energi bersih adalah dengan mengambil sumber daya terbesar yang kita miliki - matahari - dan mengubahnya menjadi benda yang menggerakkan hampir semua energi dan konsumsi di planet kita saat ini, yang merupakan bahan bakar kimia. Tapi tanaman tidak melakukannya dengan sangat efisien, dan mereka membuat bahan bakar yang tidak bisa kita gunakan, setidaknya tidak secara langsung, kecuali jika Anda ingin makan sayuran lezat yang dihasilkan darinya. Tetapi sebagian besar dari apa yang dibuat tanaman tidak dapat langsung digunakan sebagai bahan bakar oleh manusia.
Dengan cara yang sama seperti burung memiliki bulu, dan kami tahu bahwa karena itu mungkin untuk terbang, tetapi kami tidak membangun pesawat dari bulu, kami tahu adalah mungkin untuk mengambil sinar matahari dan membuat bahan bakar kimia. Kami akan membangun alat berat kami yang akan mengambil sinar matahari dan langsung membuat bahan bakar yang dapat digunakan siapa saja di mana saja, kapan saja, untuk energi mereka.
Mari kita bicara tentang produk tertentu dari lab Anda - sel fotoelektrokimia yang digunakan dalam fotosintesis buatan dengan tujuan membuat bahan bakar hidrogen - dalam istilah yang paling sederhana. Bagaimana cara kerjanya?
Kami tahu itu mungkin dengan bahan semikonduktor seperti yang digunakan dalam panel surya, tetapi bahan berbeda seperti platinum dan silikon, untuk benar-benar mengambil bahan-bahan itu, dan alih-alih menutupinya dengan kabel listrik, kami merendam bahan dalam air. Dan menambahkan sinar matahari, seseorang dapat membelah air itu dan menghasilkan gas hidrogen dan gas oksigen secara langsung. Anda akan mengumpulkan hidrogen, dan kemudian bisa menggunakannya nanti di sel bahan bakar. Atau Anda bisa mengubahnya menjadi bahan bakar cair, atau menggunakannya untuk hal lain. Anda kemudian akan mendapatkan oksigen kembali dari udara pada titik pembakaran hidrogen atau bahan bakar lain yang Anda buat. Kami tahu ini sudah berfungsi.
Kredit Gambar: spcbrass
Anda berbicara tentang membelah air. Apa yang sebenarnya Anda maksud dengan itu?
Air memiliki rumus kimia H2O. Untuk membaginya, Anda menyatukan kembali ikatan di dalam air, untuk membuat satu molekul H2, dan setengah dari O2 yang membuat molekul oksigen di udara kita.
Bahan bakar yang dihasilkan dari itu adalah hidrogen - H2 - karena itu dapat disimpan dan kemudian dibakar. Sama seperti bensin yang dibakar dengan oksigen dari udara, hidrogen dibakar dengan oksigen dari udara. Dalam hal ini, alih-alih membuat karbon dioksida, itu akan membuat air. Jadi pembakarannya bersih, karena satu-satunya produk sampingan sebenarnya adalah air minum dari proses pembakaran.
Seperti apa sel fotoelektrokimia ini? Apa yang ada di dalamnya yang membuatnya bekerja?
Ini hanya akan menjadi bahan yang fleksibel, seperti Slip 'n Slide atau bubble wrap, kain multifungsi yang akan Anda gulirkan, dan akan ada lapisan bening atas yang akan menyedot air seperti spons dari udara. Kemudian lapisan antara akan menyerap sinar matahari, dan akan menguraikan molekul air menjadi hidrogen dan oksigen. Kami akan membiarkan oksigen dibuang seperti melalui jaket hujan saat Anda membiarkannya bernafas. Di bagian bawah kita akan memusnahkan gas atau bahan bakar cair, mengumpulkannya ke dalam tangki, dan kemudian kita dapat menggunakannya untuk menjalankan mobil kita, untuk menjalankan sel bahan bakar, untuk membuat bahan bakar cair keluar, untuk menyediakan energi yang kita butuhkan bahkan ketika dia matahari tidak bersinar.
Apa jadwal waktu ini? Kapan kita dapat berharap untuk melihat ini di pasar, secara umum atau digunakan dalam industri?
Tujuan kami adalah membangun prototipe yang benar-benar berfungsi dalam dua tahun pertama proyek ini, yang disebut Pusat Bersama untuk Fotosintesis Buatan, yang merupakan pusat inovasi energi yang disponsori oleh Departemen Energi.
Jadi kami meluncurkan proyek yang sangat agresif, karena tidak ada yang benar-benar membangun generator bahan bakar surya yang dapat Anda pegang di tangan Anda yang benar-benar merupakan sistem fotosintesis buatan. Kita tahu bahwa prototipe pertama yang kita buat tidak akan bekerja dengan baik, atau mungkin tidak bertahan lama, atau mungkin menggunakan potongan yang terlalu mahal. Dan kemudian kita akan membangun yang kedua, dan itu akan bekerja sedikit lebih baik. Dan kemudian kita akan membangun yang ketiga, dan itu akan tetap bekerja dengan lebih baik. Kita akan belajar dari kesalahan kita sampai kita membangun kesalahan kelima yang benar-benar kesalahan yang kita coba pikirkan untuk pindah ke perusahaan komersial.
Kami pikir ini adalah generasi pengembangan teknologi yang berkembang. Tetapi Anda tidak dapat terbang sampai Anda turun dari tanah, dan tujuan kami adalah turun dari tanah, untuk membangun hal yang menunjukkan bahwa kami dapat menciptakan teknologi yang benar-benar dapat, secara langsung melakukan apa yang dilakukan pabrik, tetapi lebih baik, membuat bahan bakar langsung dari matahari.
Apa saja hambatan besar yang Anda hadapi sekarang atau hadapi di masa lalu sehubungan dengan fotosintesis buatan?
Secara kimiawi sulit untuk mengambil foton cahaya dan elektron yang diproduksi secara sembarangan di semua tempat dalam suatu bahan, dan kemudian memasangkannya bersama untuk membuat dan memutuskan ikatan kimia yang diperlukan untuk melakukan fotosintesis nyata. Kita perlu mengembangkan katalis yang dapat melakukan itu, serta bahan untuk menyerap cahaya untuk mengantarkan elektron ke katalis tersebut, sehingga semua bagian dari sistem bekerja bersama secara harmonis semuanya pada saat yang bersamaan.
Apa contoh katalis semacam itu?
Katalis sekarang yang memecah air menjadi hidrogen dan oksigen akan menjadi logam yang mahal seperti platinum ditambah dengan logam mahal lainnya seperti rutenium dalam bentuk rutenium dioksida. Kami tahu mereka bekerja dengan sangat baik. Mereka hanya terlalu mahal untuk dipikirkan untuk digunakan untuk menutupi area yang sangat luas yang diperlukan untuk memanfaatkan sinar matahari. Kita tahu bahwa alam tahu bagaimana melakukan ini. Itu tidak menggunakan logam. Dalam enzim yang digunakan serangga untuk membuat hidrogen mereka menggunakan zat besi, logam murah yang keluar dari karat. Mereka menggunakan nikel, barang yang sama yang kami gunakan untuk membuat koin kami. Jadi mereka menggunakan barang yang sangat murah, dan kita perlu mencari tahu, sebagai ahli kimia, cara membuat logam murah bekerja sebaik logam mahal agar benar-benar memiliki teknologi yang terjangkau.
Apa hal terpenting yang Anda ingin orang tahu hari ini?
Yang paling penting adalah untuk mengetahui bahwa jika kita ingin mencapai sistem energi bersih, kita bisa mendapatkan bagian dari perjalanan ke sana dengan teknologi yang ada, dengan angin, dengan matahari, dengan nuklir. Tapi Anda tidak bisa sampai ke sana hanya dengan membuat lebih murah apa yang kita tahu. Dua tantangan terbesar adalah bagaimana Anda menyimpan listrik dalam jumlah besar, dan bagaimana Anda membuat bahan bakar bersih untuk 40 persen transportasi yang tidak dapat dialiri listrik - kapal kami, pesawat kami, truk tugas berat kami? Dan selain jumlah biofuel yang terbatas, satu-satunya permainan teknis di kota yang dapat menyelesaikan kedua masalah yang harus kita selesaikan sebagai planet untuk membuat masa depan yang aman dan bertanggung jawab terhadap lingkungan adalah membuat bahan bakar dari matahari. Dan itulah mengapa kami bekerja sangat keras pada proyek itu.
Dengarkan wawancara EarthSky 8 menit dan 90 detik dengan Nate Lewis tentang fotosintesis buatan, di bagian atas halaman.