برگ مصنوعی، قهرمان تولید سوخت و کودهای نیتروژنی

فناوری‌هایی که قرار است رویاهای ما را به حقیقت پیوند بزنند، چندان هم دور از دسترس نیستند و در آینده‌ای نزدیک، این چشم‌اندازها به کارهایی عادی و روزمره تبدیل می‌شوند.

نوپانا: چه می‌شود اگر بتوانید به راحتی از هوای بیابان آب بنوشید، بدون اینکه لازم باشد برای این کار الکتریسیته زیادی را از شبکه خطوط برق مصرف کنید یا یک دکتر بتواند بدون استفاده از حتی یک خراش، از بافت مشکوک به سرطان نمونه‌گیری کند؟ فناوری‌هایی که قرار است این رویاها و دیگر رویاهای ما را به حقیقت پیوند بزنند، چندان هم دور از دسترس نیستند. در واقع متخصصان پیش‌بینی می‌کنند طی چند سال آینده این چشم‌اندازها به کارهایی عادی و روزمره تبدیل شوند.

در سلسله مطالب پیش رو*، ۱۰ مورد از چنین فناوری‌های شگفت‌انگیز و نوظهوری، انتخاب و بررسی شده‌اند:

قسمت پنجم: برگ مصنوعی که دی​اکسید کربن را به سوخت مایع تبدیل می​کند

ایده​ برگ مصنوعی بسیار منطقی و سودمند است. برگ​ها انرژی خورشید را جذب کرده و دی​اکسید کربن را تبدیل به کربوهیدراتی می​کند که سوخت فعالیت​های سلولی گیاه می​شود. چندین دهه بود که دانشمندان روی تولید فرآیندی مشابه فتوسنتز کار می​کردند تا سوختی را برای استفاده‌های​ بعدی به وجود بیاورند. این دستاورد، یکی از چالش‌های مهم در زمینه انرژی خورشیدی و باد را حل خواهد کرد و راهی برای استخراج انرژی در شرایطی است که خورشید نمی​تابد و بادی نمی​وزد. محققان زیادی در طول سال​ها شکلی از فتوسنتر مصنوعی را توسعه دادند که طی آن نور خورشید کاتالیزوری را به کار انداخته که مولکول آب را به اکسیژن و هیدروژن تقسیم می​کند؛ هیدروژنی که ماده ارزشمندی برای تکنولوژی​های پایدار است. یک قدم نزدیک​تر به سمت فتوسنتز واقعی استفاده از این هیدروژن در فرآیند کاهش است که دی​اکسید کربن را به هیدروکربن​ تبدیل می​کند. درست مانند برگ واقعی، این سیستم تنها از دی​اکسید کربن، آب و نور خورشید برای تولید سوخت استفاده می‌کند. چنین سیستمی بسیار کاربردی خواهد بود و ایجاد سیستم​های بسته​ای را ممکن می​کند که دی​اکسید کربن منتشر شده از موتورهای احتراقی را به‌جای افزودن به گازهای گلخانه​ای در جو، دوباره تبدیل به سوخت ​می​کند.

پژوهشگران بسیاری به دنبال این هدف هستند. اخیرا گروهی از آنها نشان داد که می​توان تجزیه آب و تبدیل دی​اکسید کربن به سوخت را در یک سیستم واحد با کارایی بالا ترکیب کرد. در شماره ژوئن ۲۰۱۶ مجله ساینس (Science)، دنیل جی. نوسرا و پاملا آ. سیلور، هر دو از دانشگاه هاروارد، گزارش دادند رویکردی برای تولید سوخت مایع (به‌خصوص سوخت​های الکلی) وجود دارد که از تبدیل دی​اکسید کربن به کربوهیدرات توسط برگ واقعی بسیار بهتر است! گیاه تنها از ۱ درصد از انرژی دریافتی از خورشید برای تولید گلوکز استفاده می​کند، در حالیکه این سیستم مصنوعی تقریبا به کارایی ۱۰ درصدی در تبدیل دی​اکسید کربن به سوخت می​رسد و این معادل استخراج ۱۸۰ گرم دی‌اکسید کربن از هوا و تبدیل آن به انرژی است.

محققان تکنولوژی تجزیه​ خورشیدی و غیرارگانیک آب را (که تنها از مواد سازگار با محیط​زیست استفاده می​کند و ترکیبات سمی به وجود نمی​آورد) با میکروب​هایی ترکیب می‌کنند که به طور خاص برای تولید سوخت طراحی شده​اند و همگی در یک ظرف قرار می​گیرند. جالب این​جاست که این باکتری​های مهندسی‌شده می​توانند انواع سوخت​ها را تولید کنند و سایر مواد شیمیایی را با ترکیب اندک دی​اکسید کربن به وجود آورند. این رویکرد می​تواند در مقیاس بزرگ‌تر انجام شود، در صورتیکه که کاتالیزورها از فلزات ارزان و در دسترس به‌دست آیند؛ اما کارشناسان باز هم نیازمند افزایش چشمگیر تولید سوخت هستند. نوسرا می​گوید تیم او مشغول کار روی نمونه​ اولیه​ این پروژه است و در حال مذاکره با چند شرکت برای همکاری است.

اما نوسرا ایده​ بزرگتری برای این تکنولوژی در سر دارد. فارغ از تولید سوخت​های غنی از هیدروژن و کربن به شکل پایدار، او نشان داد که مجهز ساختن سیستم به باکتری‌هایی با متابولیسم متفاوت می​تواند کودهایی بر پایه​ نیتروژن را مستقیما در خاک به وجود آورد و این کاربرد، برداشت محصول را در مناطقی بهبود می​دهد که استفاده از کودهای معمولی در آنها ممکن نیست. باکتری از هیدروژن و دی​اکسید کربن برای تولید یک پلاستیک بیولوژیک استفاده می​کند که به عنوان ذخیره​ سوختی عمل می​کند. وقتی میکروب پلاستیک کافی تولید کرد، دیگر نیازی به نور خورشید نخواهد داشت و می​توان آن را در خاک دفن کرد. بعد از جذب نیتروژن هوا، این سیستم از انرژی و هیدروژن موجود در پلاستیک برای تولید کود استفاده خواهد کرد. در آزمایشی، وزن ترب​هایی که در خاک حاوی این میکروب​ها رشد داده شده​اند، ۱۵۰ درصد از ترب​های گروه فاقد آنها بیشتر بوده است.

نوسرا قبول دارد که تست کود را در ابتدا فقط برای بررسی امکان این ایده انجام داده است؛ اما او اعتقاد دارد که زمانی از راه می​رسد که باکتری با تنفس هیدروژن ناشی از تجزیه​ آب و استفاده از آن محصول مورد نظر را، از سوخت گرفته تا کود، پلاستیک یا دارو، تولید خواهد کرد و همه چیز فقط به تغییرات مشخصی بر می​گردد که روی متابولیسم آن انجام می​شود.

(همچنین بخوانید: فناوری چگونه از طبیعت الهام می‌گیرد؟)