Přinese umělá fotosyntéza dostupný a udržitelný vodík? 

Dlouhodobá snaha snížit uhlíkovou stopu vyzvedla na výsluní vodík, který je atraktivní alternativou jako palivo sám o sobě nebo jako součást udržitelných paliv. V současné době se vodík vyrábí z fosilního metanu a při celém procesu je využito velkého množství fosilní energie. Za myšlenkou udržitelnějšího vodíku ovšem stojí běžný proces rostlin, které získávají atomy vodíku z vody pouze za pomoci slunečního záření.

Nový druh solárního panelu, vytvořený na Michiganské univerzitě, při zkouškách dosáhl 9% účinnosti při přeměně vody na vodík a kyslík. Proces přeměny napodobuje přirozenou fotosyntézu rostlin a je 10x účinnější než dosavadní výzkumy v této oblasti.

Největší výhodou celého procesu je potenciální snížení nákladů na udržitelný vodík prostřednictvím zmenšeného polovodiče, který je schopen odolat koncentrovanému světlu a teplotě ekvivalentní 160 sluncím.

Jaká je vize?

Plánem do budoucna je zdokonalit zařízení pro umělou fotosyntézu tak, aby v konečném výsledku bylo účinnější než přirozená fotosyntéza – což by poskytlo cestu k uhlíkové neutralitě. Prvním krokem k této budoucnosti je vytvoření polovodiče, který bude schopen pojmout soustředěné sluneční světlo, aniž by došlo k jeho poškození. Což je krok, který je možná již splněn. Momentální polovodič je zhruba 100x menší při porovnání s některými typy polovodičů, které jsou aktuálně stále v provozu a pracují při nízké intenzitě světla.

Druhým krokem je využití energeticky významnější části slunečního spektra k rozdělení vody tak, aby sluncem poskytnuté teplo podpořilo celou reakci. Vyšší teploty urychlují proces štěpení vody a přidané teplo také povzbuzuje vodík a kyslík, aby zůstaly oddělené, spíše než aby obnovovaly své vazby a znovu tvořily vodu. Celému přenosu energie, tepla a samotnému dělení pomáhá právě zmíněný menší a odolnější polovodičový katalyzátor.

Reálné pokusy

Zmíněné zařízení již bylo podrobeno venkovnímu experimentu, při kterém byla využita čočka o velikosti okna domu, jež zaostřila sluneční světlo na experimentální panel o průměru jen několik palců. Uvnitř tohoto panelu byl polovodičový katalyzátor pokrytý vrstvou vody, která probublávala plyny vodíku a kyslíku, k jejichž oddělení v průběhu pokusu došlo.

Jednoduchá izolační vrstva na vrcholu panelu udržuje teplotu na 75 °C, což je dostatečné teplo, aby podpořilo reakci, a zároveň je to teplota dostatečně nízká na to, aby polovodičový katalyzátor dobře fungoval.

Venkovní verze experimentu s méně spolehlivým slunečním zářením a teplotou dosáhla 6,1% účinnosti při přeměně energie ze slunce na vodíkové palivo. V interiéru však systém dosahoval účinnosti 9 %. Výzvami, s nimiž se tým hodlá v budoucnu vypořádat, je proto zlepšení účinnosti a dosažení mimořádně čistého vodíku, který lze přímo přivádět do palivových článků.