కిరణజన్య సంయోగక్రియ: ఈ గ్రహం మీద జీవం కోసం ప్రాథమిక యంత్రాంగం, GCSE జీవశాస్త్ర విద్యార్థుల శాపంగా మరియు ఇప్పుడు వాతావరణ మార్పులతో పోరాడటానికి ఒక సంభావ్య మార్గం. CO2 మరియు నీటిని మనం ఇంధనంగా ఉపయోగించగలిగేలా మార్చడానికి మొక్కలు సూర్యరశ్మిని ఎలా ఉపయోగిస్తాయో అనుకరించే కృత్రిమ పద్ధతిని అభివృద్ధి చేయడానికి శాస్త్రవేత్తలు తీవ్రంగా కృషి చేస్తున్నారు. ఇది పని చేస్తే, ఇది మనకు విజయవంతమైన దృశ్యం అవుతుంది: ఈ పద్ధతిలో ఉత్పత్తి చేయబడిన పునరుత్పాదక శక్తి నుండి మనం ప్రయోజనం పొందడమే కాకుండా, వాతావరణంలో CO2 స్థాయిలను తగ్గించడానికి ఇది ఒక ముఖ్యమైన మార్గంగా కూడా మారుతుంది.
అయినప్పటికీ, కిరణజన్య సంయోగక్రియను అభివృద్ధి చేయడానికి మొక్కలు బిలియన్ల సంవత్సరాలు పట్టింది మరియు ప్రకృతిలో ఏమి జరుగుతుందో ప్రతిబింబించడం ఎల్లప్పుడూ సులభమైన పని కాదు. ప్రస్తుతానికి, కృత్రిమ కిరణజన్య సంయోగక్రియలో ప్రాథమిక దశలు పని చేస్తాయి, కానీ చాలా సమర్థవంతంగా కాదు. శుభవార్త ఏమిటంటే, ఈ రంగంలో పరిశోధనలు వేగవంతం అవుతున్నాయి మరియు ఈ సమగ్ర ప్రక్రియను ఉపయోగించుకునే దిశగా ప్రపంచవ్యాప్తంగా సమూహాలు అడుగులు వేస్తున్నాయి.
రెండు-దశల కిరణజన్య సంయోగక్రియ
కిరణజన్య సంయోగక్రియ కేవలం సూర్యరశ్మిని సంగ్రహించడం మాత్రమే కాదు. వెచ్చని ఎండలో స్నానం చేసే బల్లి ఆ పని చేయగలదు. కిరణజన్య సంయోగక్రియ ఈ శక్తిని ("ఫోటో" బిట్) సంగ్రహించడానికి మరియు నిల్వ చేయడానికి మరియు దానిని కార్బోహైడ్రేట్లుగా ("సంశ్లేషణ" బిట్) మార్చడానికి ఒక మార్గంగా మొక్కలలో ఉద్భవించింది. మొక్కలు ఎలక్ట్రాన్‌లను విడుదల చేయడానికి సూర్యరశ్మి ద్వారా శక్తినిచ్చే ప్రోటీన్లు మరియు ఎంజైమ్‌ల శ్రేణిని ఉపయోగిస్తాయి, ఇవి CO2ని సంక్లిష్ట కార్బోహైడ్రేట్లుగా మార్చడానికి ఉపయోగించబడతాయి. ప్రాథమికంగా, కృత్రిమ కిరణజన్య సంయోగక్రియ అదే దశలను అనుసరిస్తుంది.
"సహజ కార్బన్ చక్రంలో భాగమైన సహజ కిరణజన్య సంయోగక్రియలో, మనకు కాంతి, CO2 మరియు నీరు ప్లాంట్‌లోకి వెళ్తాయి మరియు మొక్క చక్కెరను తయారు చేస్తుంది" అని ఎలక్ట్రికల్ మరియు కంప్యూటర్ ఇంజనీరింగ్ విభాగంలో పనిచేస్తున్న PhD అభ్యర్థి ఫిల్ డి లూనా వివరించారు. టొరంటో విశ్వవిద్యాలయం. “కృత్రిమ కిరణజన్య సంయోగక్రియలో, మేము అకర్బన పరికరాలు మరియు పదార్థాలను ఉపయోగిస్తాము. అసలు సోలార్-హార్వెస్టింగ్ భాగం సౌర ఘటాల ద్వారా చేయబడుతుంది మరియు శక్తి-మార్పిడి భాగం ఎలక్ట్రోకెమికల్ [ఉద్వేరకం సమక్షంలో ప్రతిచర్యలు] ద్వారా చేయబడుతుంది.
ఈ ప్రక్రియతో నిజంగా అప్పీల్ చేసేది దీర్ఘకాలిక శక్తి నిల్వ కోసం ఇంధనాన్ని ఉత్పత్తి చేయగల సామర్థ్యం. అభివృద్ధి చెందుతున్న బ్యాటరీ సాంకేతికతతో కూడా ప్రస్తుత పునరుత్పాదక ఇంధన వనరులు చేయగలిగిన దానికంటే ఇది చాలా ఎక్కువ. సూర్యుడు లేకపోయినా లేదా గాలులతో కూడిన రోజు కాకపోయినా, ఉదాహరణకు, సోలార్ ప్యానెల్లు మరియు విండ్ ఫామ్‌లు ఉత్పత్తిని ఆపివేస్తాయి. "సుదీర్ఘమైన కాలానుగుణ నిల్వ మరియు సంక్లిష్ట ఇంధనాలలో నిల్వ చేయడానికి, మాకు మంచి పరిష్కారం కావాలి" అని డి లూనా చెప్పారు. "బ్యాటరీలు రోజువారీగా, ఫోన్‌ల కోసం మరియు కార్ల కోసం కూడా గొప్పవి, కానీ మేము బ్యాటరీతో [బోయింగ్] 747ని ఎప్పటికీ అమలు చేయము."
పరిష్కరించడానికి సవాళ్లు
సౌర ఘటాల సృష్టి విషయానికి వస్తే - కృత్రిమ కిరణజన్య సంయోగక్రియ ప్రక్రియలో మొదటి దశ - మేము ఇప్పటికే సాంకేతికతను కలిగి ఉన్నాము: సౌర-శక్తి వ్యవస్థలు. అయినప్పటికీ, ప్రస్తుత ఫోటోవోల్టాయిక్ ప్యానెల్లు, సాధారణంగా సెమీకండక్టర్-ఆధారిత వ్యవస్థలు, ప్రకృతితో పోలిస్తే సాపేక్షంగా ఖరీదైనవి మరియు అసమర్థమైనవి. కొత్త సాంకేతికత అవసరం; చాలా తక్కువ శక్తిని వృధా చేసేది.
అట్లాంటాలోని జార్జియా స్టేట్ యూనివర్శిటీకి చెందిన గ్యారీ హేస్టింగ్స్ మరియు అతని బృందం మొక్కలలో అసలు ప్రక్రియను చూసేటప్పుడు ఒక ప్రారంభ దశలో పొరపాట్లు చేసి ఉండవచ్చు. కిరణజన్య సంయోగక్రియలో, కీలకమైన పాయింట్ సెల్‌లో కొంత దూరం ఎలక్ట్రాన్‌లను కదిలించడం. చాలా సరళంగా చెప్పాలంటే, సూర్యకాంతి వల్ల కలిగే ఈ కదలిక తర్వాత శక్తిగా మార్చబడుతుంది. ఈ ఎలక్ట్రాన్లు వాటి అసలు స్థానానికి తిరిగి వెళ్ళలేవు కాబట్టి ఈ ప్రక్రియ ప్రకృతిలో చాలా ప్రభావవంతంగా ఉంటుందని హేస్టింగ్స్ చూపించాడు: "ఎలక్ట్రాన్ తిరిగి వచ్చిన చోటికి వెళితే, సౌరశక్తి పోతుంది." ఈ అవకాశం మొక్కలలో చాలా అరుదుగా ఉన్నప్పటికీ, సోలార్ ప్యానెల్‌లలో ఇది చాలా తరచుగా జరుగుతుంది, అవి అసలు కంటే ఎందుకు తక్కువ సామర్థ్యం కలిగి ఉన్నాయో వివరిస్తుంది.
హేస్టింగ్స్ ఈ "రసాయన లేదా ఇంధన ఉత్పత్తికి సంబంధించిన సోలార్-సెల్ సాంకేతిక పరిజ్ఞానాన్ని అభివృద్ధి చేసే అవకాశం ఉంది" అని హేస్టింగ్స్ అభిప్రాయపడ్డారు, అయితే ఇది ప్రస్తుతానికి కేవలం ఒక ఆలోచన మాత్రమేనని మరియు ఈ పురోగతి ఏ సమయంలోనైనా జరిగే అవకాశం లేదని అతను త్వరగా ఎత్తి చూపాడు. "ఈ ఆలోచనల ఆధారంగా రూపొందించబడిన పూర్తి కృత్రిమ సోలార్-సెల్ సాంకేతికత యొక్క కల్పన పరంగా, భవిష్యత్తులో సాంకేతికత మరింతగా ఆపివేయబడుతుందని నేను నమ్ముతున్నాను, బహుశా ఒక నమూనా కోసం కూడా రాబోయే ఐదు సంవత్సరాలలో కాదు."
మేము పరిష్కరించడానికి దగ్గరగా ఉన్నామని పరిశోధకులు విశ్వసిస్తున్న ఒక సమస్య ప్రక్రియలో రెండవ దశను కలిగి ఉంటుంది: CO2ని ఇంధనంగా మార్చడం. ఈ అణువు చాలా స్థిరంగా ఉంటుంది మరియు దానిని విచ్ఛిన్నం చేయడానికి ఇది అద్భుతమైన శక్తిని తీసుకుంటుంది కాబట్టి, కృత్రిమ వ్యవస్థ అవసరమైన శక్తిని తగ్గించడానికి మరియు ప్రతిచర్యను వేగవంతం చేయడానికి ఉత్ప్రేరకాలను ఉపయోగిస్తుంది. అయితే, ఈ విధానం దాని స్వంత సమస్యలను తెస్తుంది. మాంగనీస్, టైటానియం మరియు కోబాల్ట్‌లతో ఉత్ప్రేరకాలు తయారు చేయడం ద్వారా గత పదేళ్లుగా అనేక ప్రయత్నాలు జరిగాయి, అయితే దీర్ఘకాలం ఉపయోగించడం సమస్యగా నిరూపించబడింది. సిద్ధాంతం మంచిగా అనిపించవచ్చు, కానీ అవి కొన్ని గంటల తర్వాత పని చేయడం ఆపివేయడం, అస్థిరంగా మారడం, నెమ్మది చేయడం లేదా కణాన్ని దెబ్బతీసే ఇతర రసాయన ప్రతిచర్యలను ప్రేరేపిస్తాయి.
కానీ కెనడియన్ మరియు చైనీస్ పరిశోధకుల మధ్య సహకారం జాక్‌పాట్ కొట్టినట్లు కనిపిస్తోంది. వారు నికెల్, ఐరన్, కోబాల్ట్ మరియు ఫాస్పరస్‌లను కలిపి తటస్థ pHలో పనిచేయడానికి ఒక మార్గాన్ని కనుగొన్నారు, ఇది సిస్టమ్‌ను చాలా సులభతరం చేస్తుంది. "CO2 తగ్గింపునకు అవసరమైన తటస్థ pH ఎలక్ట్రోలైట్‌లో మా ఉత్ప్రేరకం బాగా పని చేయగలదు కాబట్టి, మేము [a] పొర-రహిత వ్యవస్థలో CO2 తగ్గింపు యొక్క విద్యుద్విశ్లేషణను అమలు చేయగలము, అందువల్ల వోల్టేజీని తగ్గించవచ్చు" అని బో జాంగ్ చెప్పారు. చైనాలోని ఫుడాన్ విశ్వవిద్యాలయంలో మాక్రోమోలిక్యులర్ సైన్స్ విభాగం. ఆకట్టుకునే 64% ఎలక్ట్రికల్-టు-కెమికల్ పవర్ కన్వర్షన్‌తో, ఈ బృందం ఇప్పుడు కృత్రిమ కిరణజన్య సంయోగ వ్యవస్థల కోసం అత్యధిక సామర్థ్యంతో రికార్డ్ హోల్డర్‌లుగా మారింది.
"ప్రస్తుతం మనకు ఉన్నదానితో అతిపెద్ద సమస్య స్కేల్"
వారి ప్రయత్నాల కోసం, బృందం NRG COSIA కార్బన్ XPRIZEలో సెమీ-ఫైనల్‌కు చేరుకుంది, ఇది వారి పరిశోధన కోసం $20 మిలియన్లను గెలుచుకోగలదు. "పవర్ ప్లాంట్లు మరియు పారిశ్రామిక సౌకర్యాల నుండి CO2 ఉద్గారాలను విలువైన ఉత్పత్తులుగా మార్చే పురోగతి సాంకేతికతలను అభివృద్ధి చేయడం" మరియు వారి మెరుగైన కృత్రిమ కిరణజన్య సంయోగ వ్యవస్థలతో, వారికి మంచి అవకాశం ఉంది.
తదుపరి సవాలు స్కేలింగ్ అప్. "ప్రస్తుతం మనకు ఉన్నదానితో అతిపెద్ద సమస్య స్కేల్. మేము స్కేల్ అప్ చేసినప్పుడు, మేము సామర్థ్యాన్ని కోల్పోతాము, ”అని జాంగ్ అధ్యయనంలో పాల్గొన్న డి లూనా చెప్పారు. అదృష్టవశాత్తూ, పరిశోధకులు తమ మెరుగుదలల జాబితాను పూర్తి చేయలేదు మరియు ఇప్పుడు విభిన్న కంపోజిషన్‌లు మరియు విభిన్న కాన్ఫిగరేషన్‌ల ద్వారా ఉత్ప్రేరకాలను మరింత సమర్థవంతంగా చేయడానికి ప్రయత్నిస్తున్నారు.
రెండు రంగాల్లో విజయం
స్వల్ప మరియు దీర్ఘకాలిక రెండింటిలోనూ మెరుగుదల కోసం ఖచ్చితంగా స్థలం ఉంది, కానీ చాలామంది కృత్రిమ కిరణజన్య సంయోగక్రియ భవిష్యత్తు కోసం శుభ్రమైన మరియు స్థిరమైన సాంకేతికతగా ఒక ముఖ్యమైన సాధనంగా మారే అవకాశం ఉందని భావిస్తున్నారు.
“ఫీల్డ్ చాలా వేగంగా కదులుతున్నందున ఇది చాలా ఉత్తేజకరమైనది. వాణిజ్యీకరణ పరంగా, మేము టిపింగ్ పాయింట్‌లో ఉన్నాము," అని డి లూనా చెప్పారు, ఇది పనిచేస్తుందా లేదా అనేది "చాలా కారకాలపై ఆధారపడి ఉంటుంది, ఇందులో పబ్లిక్ పాలసీ మరియు పునరుత్పాదక ఇంధన సాంకేతికతను అంగీకరించడానికి పరిశ్రమల స్వీకరణ ఉన్నాయి. ."
సైన్స్‌ని సరిగ్గా పొందడం నిజంగా మొదటి అడుగు మాత్రమే. హేస్టింగ్స్ మరియు జాంగ్ వంటి వారి పరిశోధనల నేపథ్యంలో పునరుత్పాదక శక్తి చుట్టూ ఉన్న మన ప్రపంచ వ్యూహంలో కృత్రిమ కిరణజన్య సంయోగక్రియను గ్రహించడానికి కీలకమైన చర్య వస్తుంది. వాటాలు ఎక్కువగా ఉన్నాయి. ఇది ముందుకు సాగితే, మేము రెండు రంగాల్లో గెలుస్తాము - ఇంధనాలు మరియు రసాయన ఉత్పత్తులను ఉత్పత్తి చేయడమే కాకుండా, ఈ ప్రక్రియలో మన కార్బన్ పాదముద్రను తగ్గించడం కూడా.