สังเคราะห์ หากแหล่งพลังงานที่ฉลาดที่สุด คือแหล่งที่มีมากมาย ราคาถูก และสะอาด พืชก็ฉลาดกว่ามนุษย์มาก กว่าพันล้านปี ได้พัฒนาแหล่งจ่ายพลังงานที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในโลก การสังเคราะห์แสง หรือการเปลี่ยนแสงแดดคาร์บอนไดออกไซด์ และน้ำให้เป็นเชื้อเพลิงที่ใช้งานได้ และปล่อยออกซิเจนที่เป็นประโยชน์ออกมาในกระบวนการนี้ ในกรณีของพืช เช่นเดียวกับสาหร่ายและแบคทีเรียบางชนิด
เชื้อเพลิงที่ใช้ประโยชน์ได้ คือคาร์โบไฮเดรต โปรตีน และไขมัน ในทางกลับกัน มนุษย์กำลังมองหาเชื้อเพลิงเหลวเพื่อขับเคลื่อนรถยนต์และไฟฟ้าเพื่อขับเคลื่อนตู้เย็น แต่นั่นไม่ได้หมายความว่าไม่สามารถมองหาการ สังเคราะห์ ด้วยแสงเพื่อแก้ปัญหาพลังงานที่สกปรก ราคาแพง และลดน้อยลงได้ เป็นเวลาหลายปีที่นักวิทยาศาสตร์พยายามคิดค้นวิธีการใช้ระบบพลังงานแบบเดียวกับที่พืชทำ แต่มีผลลัพธ์สุดท้ายที่เปลี่ยนไป พืชใช้อะไรนอกจากแสงแดดเป็นพลังงานป้อน
พืชทำการแปลงพลังงานมหาศาล เปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์โดยจะมีจำนวน 1,102 พันล้านตัน ให้กลายเป็นสารอินทรีย์ ซึ่งก็คือพลังงานสำหรับสัตว์ในรูปของอาหารทุกปี และนั่นใช้แสงอาทิตย์เพียง 3 เปอร์เซ็นต์ เท่านั้นที่มาถึงโลก พลังงานที่มีอยู่ในแสงแดดเป็นทรัพยากรที่ยังไม่ได้ใช้ เพิ่งเริ่มที่จะรับมือได้จริงๆเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ในปัจจุบัน โดยทั่วไปเป็นระบบที่ใช้เซมิคอนดักเตอร์ มีราคาแพง และไม่มีประสิทธิภาพมากนัก
การนำแสงจากดวงอาทิตย์มาเป็นไฟฟ้าทันทีเท่านั้น พลังงานที่ส่งออกจะไม่ถูกเก็บไว้ สำหรับวันที่ฝนตก แต่ระบบการสังเคราะห์แสงเทียมหรือเซลล์โฟโตอิเล็กทริกเคมี ที่เลียนแบบสิ่งที่เกิดขึ้นในพืชอาจสร้างแหล่งจ่ายก๊าซ และไฟฟ้าที่สะอาดราคาไม่แพงอย่างไม่มีที่สิ้นสุด และราคาไม่แพงที่ต้องการเพื่อขับเคลื่อนชีวิต และในรูปแบบที่จัดเก็บได้ด้วย แนวทางการสังเคราะห์แสงประดิษฐ์ เพื่อสร้างการสังเคราะห์แสงที่พืชได้สมบูรณ์แบบขึ้นใหม่
ระบบการแปลงพลังงานจะต้องสามารถทำสองสิ่งที่สำคัญ อาจอยู่ในท่อนาโนบางประเภทที่ทำหน้าที่ เป็นโครงสร้าง ใบไม้ เก็บเกี่ยวแสงแดดและแยกโมเลกุลของน้ำ พืชทำงานเหล่านี้ให้สำเร็จโดยใช้คลอโรฟิลล์ซึ่งจับแสงอาทิตย์ และกลุ่มของโปรตีนและเอนไซม์ที่ใช้แสงอาทิตย์นั้นในการสลายโมเลกุลน้ำ ให้เป็นไฮโดรเจน อิเล็กตรอน และออกซิเจน โปรตอน จากนั้นอิเล็กตรอนและไฮโดรเจนจะถูกใช้เพื่อเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นคาร์โบไฮเดรต และออกซิเจนจะถูกขับออก
เพื่อให้ระบบเทียมทำงานได้ตามความต้องการของมนุษย์ ผลลัพธ์ต้องเปลี่ยนไป แทนที่จะปล่อยออกซิเจนเพียงอย่างเดียวเมื่อสิ้นสุดปฏิกิริยา มันจะต้องปล่อยไฮโดรเจนเหลว หรือเมทานอล ด้วยเช่นกัน ไฮโดรเจนนั้นสามารถใช้โดยตรงเป็นเชื้อเพลิงเหลว หรือส่งเข้าไปในเซลล์เชื้อเพลิง กระบวนการผลิตไฮโดรเจนไม่ใช่ปัญหา เนื่องจากมีอยู่แล้วในโมเลกุลของน้ำ และการรับแสงอาทิตย์ก็ไม่ใช่ปัญหา ระบบพลังงานแสงอาทิตย์ในปัจจุบันก็ทำเช่นนั้น
ส่วนที่แข็งคือการแยกโมเลกุลของน้ำ เพื่อรับอิเล็กตรอนที่จำเป็นเพื่ออำนวยความสะดวก การแยกน้ำต้องใช้พลังงานประมาณ 2.5 โวลต์ ซึ่งหมายความว่ากระบวนการนี้ต้องการตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งเป็นสิ่งที่จะทำให้สิ่งทั้งหมดเคลื่อนไหวได้ ตัวเร่งปฏิกิริยาทำปฏิกิริยากับโฟตอนของดวงอาทิตย์เพื่อเริ่มปฏิกิริยาทางเคมี มีความก้าวหน้าที่สำคัญในด้านนี้ในช่วง 5 ถึง 10 ปีที่ผ่านมา ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ประสบความสำเร็จบางส่วน
ได้แก่ แมงกานีส แมงกานีสเป็นตัวเร่งที่พบในแกนสังเคราะห์แสงของพืช แมงกานีสเพียงอะตอมเดียว จะกระตุ้นกระบวนการทางธรรมชาติที่ใช้แสงแดดในการแยกน้ำ การใช้แมงกานีสในระบบประดิษฐ์เป็นวิธีไบโอมิเมตริกโดยเลียนแบบชีววิทยาที่พบในพืชโดยตรง ไททาเนียมไดออกไซด์ที่ไวต่อสีย้อม ไททาเนียมไดออกไซด์ เป็นโลหะที่มีความเสถียรซึ่งสามารถทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพ มันถูกใช้ในเซลล์แสงอาทิตย์ที่ไวต่อสีย้อม
หรือที่เรียกว่าเซลล์แสงอาทิตย์ ซึ่งมีมาตั้งแต่ปี 1990 ในเซลล์แสงอาทิตย์ ไททาเนียมไดออกไซด์จะถูกแขวนลอยอยู่ ในชั้นของอนุภาคสีย้อมที่จับแสงอาทิตย์และสัมผัสกับไททาเนียมไดออกไซด์เพื่อเริ่มปฏิกิริยา โคบอลต์ออกไซด์ หนึ่งในตัวเร่งปฏิกิริยาที่ค้นพบเมื่อเร็วๆนี้ กลุ่มของโมเลกุลโคบอลต์ออกไซด์ขนาดนาโน ถูกพบว่าเป็นตัวกระตุ้นที่มีความเสถียรและมีประสิทธิภาพสูงในระบบสังเคราะห์ด้วยแสงเทียม
โคบอลต์ออกไซด์ยังเป็นโมเลกุลที่มีอยู่มากมาย ปัจจุบันเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาทางอุตสาหกรรมที่ได้รับความนิยม ระบบเหล่านี้สามารถเปลี่ยนวิธีการขับเคลื่อนโลกได้ การประยุกต์ใช้การสังเคราะห์แสงประดิษฐ์ เชื้อเพลิงฟอสซิลขาดตลาด และก่อให้เกิดมลพิษและภาวะโลกร้อน ถ่านหินแม้ว่าจะมีมากมาย แต่ก็ก่อให้เกิดมลพิษอย่างมากต่อทั้งร่างกายมนุษย์และสิ่งแวดล้อม กังหันลมกำลังทำร้ายภูมิทัศน์ที่งดงาม ข้าวโพดต้องการพื้นที่เพาะปลูกขนาดใหญ่
และเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ในปัจจุบันมีราคาแพงและไม่มีประสิทธิภาพ การสังเคราะห์แสงประดิษฐ์ สามารถนำเสนอแนวทางใหม่ ที่อาจเป็นไปได้ในอุดมคติจากสถานการณ์ด้านพลังงาน ประการหนึ่ง เซลล์แสงอาทิตย์มีประโยชน์มากกว่าเซลล์แสงอาทิตย์ที่พบในแผงเซลล์แสงอาทิตย์ในปัจจุบัน การแปลงแสงอาทิตย์เป็นไฟฟ้าโดยตรงในเซลล์แสงอาทิตย์ทำให้พลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานที่ขึ้นอยู่กับสภาพอากาศและเวลา
ซึ่งลดประโยชน์ใช้สอยและเพิ่มราคา ในทางกลับกัน การสังเคราะห์แสงประดิษฐ์สามารถผลิตเชื้อเพลิงที่เก็บได้ และไม่เหมือนกับวิธีส่วนใหญ่ในการผลิตพลังงานทดแทน การสังเคราะห์แสงเทียมมีศักยภาพในการผลิตเชื้อเพลิงมากกว่าหนึ่งชนิด กระบวนการสังเคราะห์แสงสามารถปรับแต่งได้ ดังนั้นปฏิกิริยาระหว่างแสงคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ จึงผลิตไฮโดรเจนเหลวในที่สุด ไฮโดรเจนเหลวสามารถใช้ได้เหมือนน้ำมันเบนซินในเครื่องยนต์ที่ใช้ไฮโดรเจน
นอกจากนี้ยังสามารถนำไปติดตั้งในเซลล์เชื้อเพลิงได้อีกด้วย โดยสร้างกระแสไฟฟ้าโดยการรวมไฮโดรเจน และออกซิเจนเข้ากับน้ำ เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนสามารถผลิตไฟฟ้าได้เหมือนกับที่ได้รับจากกริด จึงใช้มันเพื่อควบคุมเครื่องปรับอากาศและเครื่องทำน้ำอุ่น ปัญหาหนึ่งในปัจจุบันเกี่ยวกับพลังงานไฮโดรเจนในปริมาณมาก คือคำถามเกี่ยวกับวิธีการสร้างไฮโดรเจนเหลวอย่างมีประสิทธิภาพและสะอาด การสังเคราะห์แสงประดิษฐ์อาจเป็นทางออก
เมทานอลเป็นอีกหนึ่งผลลัพธ์ที่เป็นไปได้ แทนที่จะปล่อยไฮโดรเจนบริสุทธิ์ ในกระบวนการสังเคราะห์แสง เซลล์โฟโตอิเล็กทริกเคมีสามารถสร้างเชื้อเพลิงเมทานอล เมทานอลหรือเมทิลแอลกอฮอล์ มักได้มาจากก๊าซมีเทนในก๊าซธรรมชาติ และมักถูกเติมลงในน้ำมันเบนซินเชิงพาณิชย์ เพื่อให้เผาไหม้ได้หมดจดยิ่งขึ้น รถยนต์บางรุ่นสามารถวิ่งด้วยเมธานอลเพียงอย่างเดียว ความสามารถในการผลิตเชื้อเพลิงที่สะอาดโดยไม่สร้างผลพลอยได้ที่เป็นอันตรายใดๆ
เช่น ก๊าซเรือนกระจก ทำให้การสังเคราะห์แสงเทียมเป็นแหล่งพลังงานในอุดมคติสำหรับสิ่งแวดล้อม มันไม่ต้องการการขุด การเติบโต หรือการขุดเจาะ และเนื่องจากในปัจจุบันไม่มีทั้งน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ขาดแคลน จึงเป็นแหล่งพลังงานที่ไร้ขีดจำกัด และอาจมีราคาต่ำกว่าพลังงานรูปแบบอื่นๆในระยะยาว ในความเป็นจริง ปฏิกิริยาโฟโตอิเล็กโทรเคมีประเภทนี้สามารถกำจัดคาร์บอนไดออกไซด์ ที่เป็นอันตรายจำนวนมากออกจากอากาศในกระบวนการผลิตเชื้อเพลิง
มันเป็นสถานการณ์ที่ชนะ แต่ยังไม่ได้อยู่ที่นั่น มีอุปสรรคหลายประการในการใช้ การสังเคราะห์แสงเทียมในระดับมวล ความท้าทายในการสร้างการสังเคราะห์แสงประดิษฐ์ แม้ว่าการสังเคราะห์แสงเทียมจะทำงานในห้องแล็บ แต่ก็ยังไม่พร้อมสำหรับการบริโภคจำนวนมาก การจำลองสิ่งที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติในพืชสีเขียวไม่ใช่เรื่องง่าย ประสิทธิภาพเป็นสิ่งสำคัญในการผลิตพลังงาน พืชใช้เวลาหลายพันล้านปี สำหรับการทำซ้ำ
ในระบบสังเคราะห์นั้นใช้เวลาลองผิดลองถูกมากมาย แมงกานีสที่ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ในพืชทำงานได้ไม่ดีนักในการตั้งค่าที่มนุษย์สร้างขึ้น ส่วนใหญ่เป็นเพราะว่าแมงกานีสค่อนข้างไม่เสถียร มันอยู่ได้ไม่นาน และไม่ละลายในน้ำ ทำให้ระบบที่ใช้แมงกานีสค่อนข้างไม่มีประสิทธิภาพและใช้งานไม่ได้ อุปสรรคใหญ่อีกประการหนึ่งคือรูปทรงเรขาคณิตของโมเลกุลในพืชนั้น อาจจะซับซ้อนและแม่นยำเป็นพิเศษ การตั้งค่าที่มนุษย์สร้างขึ้นส่วนใหญ่ไม่สามารถจำลอง
ความซับซ้อนในระดับนั้นได้ ความเสถียรเป็นปัญหาในระบบการสังเคราะห์แสง ที่มีศักยภาพมากมาย ตัวเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์มักจะสลายตัวหรือกระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยาเพิ่มเติมที่สามารถทำลายการทำงานของเซลล์ได้ ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะออกไซด์อนินทรีย์มีความเป็นไปได้ที่ดี แต่ต้องทำงานเร็วพอที่จะใช้โฟตอนที่หลั่งไหลเข้าสู่ระบบอย่างมีประสิทธิภาพ ความเร็วของตัวเร่งปฏิกิริยาประเภทนั้นหาได้ยาก และออกไซด์ของโลหะบางชนิดที่มีความเร็วยังขาดอยู่ในอีกบริเวณหนึ่ง
นั่นคือความอุดมสมบูรณ์ ในเซลล์ไวต่อสีย้อมที่ทันสมัยในปัจจุบัน ปัญหาไม่ได้อยู่ที่ตัวเร่งปฏิกิริยา แต่เป็นสารละลายอิเล็กโทรไลต์ที่ดูดซับโปรตอนจากโมเลกุลของน้ำที่แตกตัว เป็นส่วนสำคัญของเซลล์ แต่ทำจากตัวทำละลายที่ระเหยได้ ซึ่งสามารถกัดกร่อนส่วนประกอบอื่นๆในระบบได้ ความก้าวหน้าในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมากำลังเริ่มแก้ไขปัญหาเหล่านี้ โคบอลต์ออกไซด์เป็นออกไซด์ของโลหะที่เสถียร รวดเร็ว และมีปริมาณมาก
นักวิจัยในเซลล์ที่ไวต่อสีย้อมได้คิดค้นวิธีแก้ปัญหาที่ไม่ใช้ตัวทำละลายเพื่อแทนที่สิ่งที่มีฤทธิ์กัดกร่อนการวิจัยเกี่ยวกับการสังเคราะห์แสงประดิษฐ์กำลังเพิ่มขึ้น แต่จะไม่ออกจากห้องทดลองในเร็วๆนี้ ต้องใช้เวลาอย่างน้อย 10 ปีก่อนที่ระบบประเภทนี้จะเป็นจริง และนั่นเป็นการประมาณการที่ค่อนข้างมีความหวัง บางคนไม่แน่ใจว่ามันจะเกิดขึ้น ถึงกระนั้นใครสามารถต้านทานความหวังสำหรับพืชเทียมที่มีพฤติกรรมเหมือนของจริงได้
นานาสาระ: อพยพ การอธิบายและศึกษาการเจ็บป่วยที่เกี่ยวข้องกับการอพยพหนีพายุ
