Bitkilerin neden fotsentez yaptığını, birçok insan zaten biliyordur. Fakat konuya aşina olmayanlar için kısaca özetlemek gerekirse; fotosentez ile bitkiler, ışık ya da güneş enerjisini kullanabilecekleri kimyasal enerjiye dönüştürürler. Doğadaki bütün enerji işleme ve dönüştürme işleyişleri gibi, fotosentez süreci de enerji üzerine çalışma yapan bilim insanlarının ilgisini fazlasıyla çeker. Fotosentez sürecinin, yenilenebilir enerjiyi kullanma ve dönüştürme adına oldukça önemli olduğu söylenebilir.
Forschungszentrum Juelich’den bilim insanları, ilk tamamlanmış ve derli toplu yapay fotosentez tesisini geliştirmeyi başardılar. Bu sayede, fotosentez teknolojisinin uygulanabilirliği açısından ciddi bir adım atılmış oldu. Nature Communications’da yayımlanan bu konsept, hem boyutu hem de kullanılan malzemeler açısından oldukça esnek(fleksibl) bir yapıda.
Gelecekte güneşin ve rüzgarın, enerji sağladığımız kaynaklar arasında aslan payını alacakları düşünülüyor. Bu yenilenebilir kaynakların istikrarsız doğası yüzünden, yapılan çalışmalarda genel olarak verimli enerji depolama sistemlerine yoğunlaşılıyor. Enerji kaynağının kendisinde olduğu gibi, bu teknolojilerin de çevre dostu ve düşük maliyetli olması oldukça önemli. Bu trend özellikle, solar hücre ve elektrolizörün yapay fotosentez içerisine entegre edildiği direkt fotoelektrik su parçalama araştırmalarında ortaya çıkıyor. Bu yolla, solar enerjinin doğrudan evrensel enerji depolama ortamı olan hidrojene dönüştürülmesi mümkün. Bu süreç ilk defa 1970’li yıllarda kullanıldı. Fakat geçtiğimiz yıllarda bu sürece olan ilgi arttı. Şimdiye kadar bu konuda yapılan çalışmalarda, yeni soğurucu malzemeler ve katalizörler için malzeme bilimine odaklanıldı. Bu yolla verimliliğin artırılması hedeflendi.
Juelich solar enerji araştırmacıları ise genel olarak ihmal edilen bir yaklaşımın etrafında toplandılar. Juelich araştırmacıları, gerçekçi bir tasarım ile bu teknolojiyi bilim insanlarının laboratuvarlarından dışarı çıkartıp, pratiğe dökmeyi hedeflediler. Araştırmacılardan Bugra Turan’ın belirttiği gibi; bu güne kadar, fotoelektrokimyasal su parçalama, yalnızca laboratuvar ölçeğinde test edildi. Tekil bileşenler ve malzemeler üzerinde büyük gelişmeler kaydedilmesine rağmen, kimse gerçek bir uygulamayı meydana çıkarmayı nihayetinde denemedi.
Kompakt, Tamamlanmış ve Genişletilebilir
Bilim insanlarının bu tasarımı, açık bir şekilde, geleneksel laboratuvar deneylerinden farklı. Kablolarla bağlanmış tırnak boyutunda tekil bileşenlerin yerine, araştırmacılar kompakt ve kendi kendine yeten bir sistem geliştirdiler. Yani oldukça düşük maliyetle geliştirilen bu sistemde, halihazırda mevcut olan malzemeler kullanıldı.
64 santimetre karelik yüzey alanına rağmen, geliştirilen sistem bileşenleri görece küçük görünüyor. Bu, esnek tasarım yapısından kaynaklanıyor. Temel bileşenin tekrar tekrar kullanılmasıyla, metre kare büyüklüklerinde sistemlerin fabrikasyonu bile mümkün hale geliyor. Sistem içerisindeki temel bileşen, özel bir lazer tekniğiyle birbirine bağlanmış birkaç solar hücreyi barındırıyor. Araştırmacılardan Jan-Philipp Becker’in belirttiğine göre; bu seri bağlama ile hidrojen üretimi için gerekli 1.8 volt gerilime her bir bileşen ulaşabiliyor. Bu yöntem, ölçek büyütmek için yapılan laboratuvar deneylerinde genellikle uygulanan konseptlerin aksine, daha yüksek verimliliğe erişilmesini mümkün hale getiriyor.
Şu anda, geliştirilen prototipin solar enerji ile hidrojen elde etme verimliliği %3.9. Bu rakam her ne kadar az gibi görünse de henüz ilk örnekte bu rakama ulaşıldığı düşünüldüğünde geliştirilmeye oldukça müsait olduğunu söyleyebiliriz. Aslında bir diğer noktaya daha değinmek gerekiyor. Doğal fotosentezin verimliliği yalnızca %1’dir. Bilim insanları, görece oldukça kısa bir süre içerisinde, konvansiyonel solar hücre malzemeleri ile bu yapay fotosentez sisteminin verimliliğini %10’a çıkarabileceklerini düşünüyorlar. Bilim insanları ayrıca, yakın zaman içerisinde bu ürünü piyasaya sürmeyi planlıyorlar.
Kaynak: ”From Leaf to Tree: Large-Scale Artificial Photosynthesis” Forschungszentrum Juelich
İlgili Makale: “Upscaling of integrated photoelectrochemical water-splitting devices to large areas” by Bugra Turan, Jan-Philipp Becker, Félix Urbain, Friedhelm Finger, Uwe Rau, Stefan Haas,
DOI: 10.1038/NCOMMS12681