Sztuczna fotosynteza, wodór, fuzja atomowa. Zielone technologie przyszłości

Inżynierowie kończą już prace nad wieloma technologiami, które mogą sprawić, że ludzkość zacznie żyć w o wiele lepszej komitywie z przyrodą. Oto kilka nowych technologii, których wprowadzenia w życie możemy się spodziewać już niedługo. 

Nawet najlepsze ogniwa fotowoltaiczne nie dorównują jednak rozwiązaniom wypracowanym przez naturę w toku miliardów lat ewolucji. Fotosynteza to proces, w którym drzewa pochłaniają dwutlenek węgla z atmosfery i zamieniają światło słoneczne w energię. Inżynierowie próbują stworzyć jej sztuczny odpowiednik, który potencjalnie dawałby o wiele większą efektywność energetyczną od ogniw fotowoltaicznych, jednocześnie usuwając CO2 z atmosfery. 

Urządzenia oparte na sztucznej fotosyntezie przekształcałyby światło słoneczne i CO2 w biopaliwa, które następnie mogłyby zasilać samochody, samoloty czy statki bez konieczności wydobywania paliw kopalnych i pompowania do atmosfery dodatkowych gazów cieplarnianych. Dodatkowo uwolniony w procesie spalania takich biopaliw CO2 mógłby być wychwytywany i magazynowany - obniżając jego poziom w atmosferze. 

Prototypowe urządzenia wykorzystujące różne formy sztucznej fotosyntezy już istnieją, problemem jest jedynie zwiększenie ich skali, w sposób wygodny i opłacalny. 

Ścieki mogą być doskonałym źródłem “czystej" energii - jeśli tylko zostaną we właściwy sposób wykorzystane. Wkrótce może okazać się, że miejskie oczyszczalnie staną się istotnymi producentami elektryczności, która będzie wykorzystywana nie tylko w celu oczyszczania samej wody, ale może też trafiać do sieci, zasilając w prąd całe miasteczka. 

Inżynierowie z Oregon State University wynaleźli hybrydowy generator energii elektrycznej, który właśnie ścieki wykorzystuje jako źródło paliwa. Udało im się połączyć dwie różne technologie wytwarzania energii - mikrobiologiczne ogniwa paliwowe i elektrodializę odwróconą. Bakterie utleniają materię organiczną, ten proces utleniania wytwarza elektrony które przepływają z anody ogniwa paliwowego do jego katody. A przepływ elektronów wytwarza prąd elektryczny.

Technologia może umożliwić oczyszczalni ścieków wytwarzanie 10-100 razy więcej energii na elektrycznej litr sześcienny wody niż poprzednie podejścia. To ważne, bo w samych USA około 3% energii elektrycznej jest wykorzystywanej właśnie do oczyszczania ścieków. 

Około 20 proc. produkowanej na świecie elektryczności jest wykorzystywanej do oświetlania budynków. Także w dzień. Co, gdyby udało się zastąpić elektryczne światła najskuteczniejszym źródłem oświetlenia w naszym Układzie Słonecznym? Czy da się oświetlać całe budynki, od piwnic do strychów, wyłącznie światłem słonecznym?

Szwedzka firma Parans opracowałą technologię “transportu światła słonecznego", która pozwala w pasywny sposób oświetlać przy pomocy słońca nawet zupełnie pozbawione okien, głęboko położone pomieszczenia. To pasywny system, który kieruje światło słoneczne z zewnętrznego źródła i przenosi je przez kable światłowodowe, aby oświetlić pomieszczenia pozbawione światła - przy zerowym zużyciu energii. 

Oprawy emitujące światło słoneczne wyglądają i działają prawie jak zwykła lampa. System może rozprowadzać światło na wiele sposobów, pozwalając tworzyć wielkie, jasne powierzchnie sufitów czy ścian. Dzięki temu, że światło zmienia się wraz ze zmianą światła słonecznego na zewnątrz, nawet w najciemniejszych pomieszczeniach można odtworzyć naturalny cykl oświetleniowy. Kable światłowodowe mogą prowadzić światło słoneczne na sto metrów do wnętrza budynku, zachowując jednocześnie maksymalne natężenie światła.

To może być jedna z największych rewolucji energetycznych w XXI wieku. Wodór, najpowszechniejszy pierwiastek we Wszechświecie, może zupełnie zastąpić paliwa kopalne nawet w dziedzinach, w których elektryfikacja nie wchodzi w grę. 

Ale nie każdy wodór jest równie przyjazny dla środowiska. Dziś gaz ten jest zazwyczaj produkowany z gazu ziemnego. I jak każdy produkt przemysłu petrochemicznego wiąże się z emisją gazów cieplarnianych do atmosfery. 

Problem rozwiązać ma tzw. zielony wodór - czyli gaz wyprodukowany ze zwykłej wody w ramach procesu elektrolizy - czyli rozbijania skłądających się z wodoru i tlenu cząsteczek wody pod wpływem elektryczności. Procesu rzecz jasna zasilanego energią odnawialną. 

Zielony wodór mógłby służyć jako znakomity magazyn dla nadmiaru energii odnawialnej, może też być bezpośrednio stosowany w pojazdach czy przemyśle. Choć samochody wodorowe na razie przegrywają z elektrykami, bo gniazdko z prądem jest wszędzie, a stacje benzynowe sprzedające wodór nadal należą do rzadkości, ale w zastosowaniach przemysłowych może odnaleźć dla siebie miejsce bardzo szybko. Nie chodzi tylko o zasilanie ciężarówek czy autobusów, ale o stosowanie wodoru w procesach przemysłowych dziś wymagających zużywania węgla czy produkujących ogromne ilości gazów cieplarnianych, na przykład w hutnictwie stali czy produkcji cementu. 

Wiele wiodących gospodarek, w tym UE, Chiny, USA czy Australia przygotowało już całe wodorowe strategie, a według Forbesa, do 2023 r. inwestycje w produkcję zielonego wodoru mają przekroczyć 1 miliard dolarów rocznie. Goldman Sachs twierdzi, że wodór może zaspokoić 25% światowego zapotrzebowania na energię do 2050 roku, stając się rynkiem o wartości 10 bilionów dolarów.

Zielony wodór jest dziś jednak nadal drogi. Zmniejszenie kosztów produkcji ekologicznego wodoru ma kluczowe znaczenie dla transportu i energetyki. 

Wśród fizyków jądrowych jest stare powiedzenie: “fuzja atomowa jest energią przyszłości... i zawsze nią będzie". Prace nad wykorzystaniem reakcji fuzji jądrowej do produkcji energii prowadzone są w zasadzie bez przerwy od końca II wojny światowej, ale dopiero ostatnio doczekaliśmy się kilku przełomów. 

Fuzja, czyli proces w ramach którego jądra atomów łączą się, tworząc masywniejsze pierwiastki i uwalniając energię, ma wiele zalet. Jest bardzo efektywna - niewielkie ilości paliwa produkują ogromne ilości energii. Jest bezpieczna, bo w razie jakichkolwiek problemów reaktor po prostu gaśnie, a nie wymyka się spod kontroli. I nie produkuje żadnych szkodliwych odpadów. Do tego jako paliwo wykorzystuje hel i wodór, które są stosunkowo powszechne i łatwo dostępne. 

Problemem jest to, że aby do niej doprowadzić, trzeba wytworzyć w kontrolowany sposób warunki przypominające te panujące we wnętrzu Słońca: ogromne ciśnienia i temperatury, które zmuszają atomy do łączenia się. To ekstremalnie trudne, i do niedawna nie udawało się podtrzymać fuzyjnych procesów dłużej, niż ułamki sekund, a prototypowe urządzenia zużywały o wiele więcej energii, niż produkowały. 

To jednak powoli się zmienia. Dzięki wykorzystaniu sztucznej inteligencji, supernowoczesnych materiałów i magnesów wytwarzających we wnętrzach reaktorów “słoneczne" warunki, jesteśmy bliżej, niż kiedykolwiek do osiągnięcia fuzyjnego sukcesu. 

Na początku lutego naukowcy z laboratorium Joint European Torus (JET) w Oxfordshire w Wielkiej Brytanii ogłosili, że pobili światowy rekord w ilości energii wytworzonej w eksperymencie syntezy jądrowej. Wyprodukowali 59 megadżuli energii cieplnej w jednym "strzale", który trwał pięć sekund. To podwoiło poprzedni rekord świata ustanowiony przez JET w 1997 roku. Choć wyprodukowana energia nadal wystarczyłaby jedynie do zagotowania 60 czajników wody.

JET to jednak zaledwie maleńki prototyp budowanego właśnie urządzenia ITER, ogromnego reaktora termojądrowego, który jest budowany w południowej Francji i ma być gotowy do 2026 roku.

Podobnie jak JET, ITER nie będzie wytwarzał energii elektrycznej, ma jednak stanowić podstawę do zbudowania po kilkunastu latach badań pierwszego prawdziwego reaktora demonstracyjnego. Badacze szacują, że ta prototypowa elektrownia fuzyjna pojawi się około 2050 roku. Jeśli zadziała, prawdziwe elektrownie fuzyjne powstaną w latach 2060 i 2070.