Giới khoa học tìm ra cách mới biến ánh sáng Mặt Trời thành năng lượng tái tạo không giới hạn

Theo Science Alert, Đại học Cambridge ở Anh đã phát triển thành công một phương pháp mới hiệu quả hơn để tách nước thành hydro và oxy bằng cách liên kết quang hợp với hydrogenase, một loại enzim có trong tảo.

Tuy dùng phương pháp tách nước để tạo ra nguồn năng lượng sạch không phải là mới, nhưng hầu hết những phương pháp đó đều cần đến các chất xúc tác đắt tiền khiến nó trở thành một thách thức đối với nền kinh tế.

Và quy trình mới này có thể thay đổi điều đó.

Quang hợp là quá trình tạo ra glucozo từ nước và CO2, giữ lại năng lượng ánh sáng và giải phóng khí oxy. Quá trình này đã giúp cho thực vật, tảo và một số vi khuẩn sống sót qua hàng tỷ năm, và nó cũng chịu trách nhiệm trong việc tạo ra năng lượng hóa thạch mà chúng ta đốt mỗi ngày.

Nhưng nó cũng không phải là giải pháp quá hiệu quả, bởi xét cho cùng, cây cối cũng chỉ cần một phần trăm rất nhỏ trong tổng số năng lượng được gửi đến cho chúng ta mỗi ngày. Giải phóng năng lượng hóa thạch ở dạng than cũng tạo ra lượng khí CO2, mà như chúng ta đã biết, nó ảnh hưởng rất lớn đến môi trường.

Các nhà khoa học đã phát minh ra một phiên bản quang hợp bán nhân tạo để cải thiện quá trình của thiên nhiên, kích hoạt lại một quá trình mà sự tiến hóa đã bỏ lại phía sau. Và trong phiên bản quang hợp mới này, nhân tố quan trọng nhất là một loại enzim cổ xưa được gọi là hydrogenase.

"Hydrogenase là một loại enzim có trong tảo có khả năng làm giảm proton thành hydro", nhà hóa học Katarzyna Sokół nói.

"Khi sự sống tiến hóa, quá trình này đã bị ngừng hoạt động vì nó không cần thiết cho việc sinh tồn nhưng chúng tôi đã thành công trong việc kích hoạt lại nó để đạt được phản ứng mà chúng tôi muốn - tách nước thành hydro và oxy."

Bắt chước quá trình quang hợp để thu thập và tích trữ năng lượng là điều mà các nhà khoa học đã thử nghiệm trong nhiều năm. Không chỉ là một nguồn năng lượng tiềm năng, nó còn có thể giúp làm sạch khí CO2.

Nhưng theo Sokół, hầu hết các công nghệ đơn giản trước đây sẽ không thể mở rộng quy mô lên tầm công nghiệp bởi vì chúng quá đắt, không hiệu quả hoặc sử dụng vật liệu có nguy cơ ô nhiễm môi trường.

Cách tiếp cận của nhóm nghiên cứu là tạo ra một tế bào điện hóa (giống như pin) dựa trên sinh hóa thu ánh sáng của một quá trình được gọi là photosystem II. Nó cung cấp điện áp cần thiết cho enzim hydrogenase hoạt động, làm giảm hydro trong nước để nó có thể tách khỏi oxy và hóa thành khí.

Về nguyên tắc nó nghe có vẻ đơn giản, nhưng việc kết nối các hệ thống nhân tạo với các quá trình hữu cơ khá phức tạp.

"Quy trình này đã vượt qua nhiều thách thức liên quan đến việc tích hợp thành phần sinh học và hữu cơ vào vật liệu vô cơ để lắp ráp các thiết bị bán nhân tạo và mở ra 'hộp dụng cụ' để phát triển các hệ thống chuyển đổi năng lượng mặt trời trong tương lai", ông Erwin Reisner cho biết.

Quá trình này vẫn chưa hoàn thiện và cần phải nghiên cứu nhiều hơn nữa. Tìm kiếm sự cân bằng giữa tự nhiên và nhân tạo có thể là tấm vé để con người sử dụng năng lượng mặt trời không tốn kém và thực sự sạch.

"Đây có thể là một nền tảng tuyệt vời để phát triển công nghệ năng lượng mặt trời", Sokół nói.

"Cách tiếp cận này có thể được sử dụng để kết hợp các phản ứng khác với nhau để xem những gì có thể xảy ra, xem xét từ các phản ứng này và sau đó xây dựng công nghệ năng lượng mặt trời tổng hợp trở nên mạnh mẽ hơn".

Nền kinh tế hydrogen sẽ phát triển trong tương lai, cùng với những thách thức khác trong lưu trữ và vận chuyển. Với việc chúng ta tiếp tục phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch đang dẫn đến cuộc khủng hoảng khí hậu toàn cầu, trong khi các loại nhiên liệu thay thế vẫn chưa đủ khả năng đáp ứng nhu cầu của con người, phương pháp này của các nhà khoa học có thể mở ra một kỷ nguyên mới cho sự sống trên Trái Đất.

Nghiên cứu này đã được công bố trên Nature Energy.