Этот процесс превращения солнечного света непосредственно в полезную энергию, называемый фотосинтезом, вскоре может стать подвигом, который люди смогут имитировать, чтобы использовать солнечную энергию для получения чистого, пригодного для хранения и эффективного топлива. Если это так, то это может открыть совершенно новые границы чистой энергии. За один час на землю в виде солнечного света попадает достаточно энергии, чтобы удовлетворить все потребности человеческой цивилизации в энергии на целый год.

Юлия Пушхар, биофизик и профессор физики в Научном колледже Пердью, возможно, знает способ использовать эту энергию, имитируя растения.

Энергия ветра и солнечная энергия, используемые фотоэлектрическими элементами, являются двумя основными доступными формами чистой энергии. Добавление третьего - синтетического фотосинтеза - кардинально изменило бы ландшафт возобновляемых источников энергии. Способность легко накапливать энергию, не требуя громоздких батарей, значительно улучшила бы способность людей обеспечивать общество чистым и эффективным питанием.

Как ветряные турбины, так и фотовольтаика имеют недостатки с точки зрения воздействия на окружающую среду и усложняющих факторов. Пушкар надеется, что искусственный фотосинтез сможет обойти эти ловушки.

"Мы и другие исследователи по всему миру невероятно усердно работаем, чтобы попытаться создать доступную энергию", - сказал Пушкар. "Энергия, которая является чистой и устойчивой, которую мы можем создать с помощью нетоксичных, легкодоступных элементов. Наш искусственный фотосинтез - это путь вперед".

Фотосинтез - это сложный танец процессов, посредством которых растения преобразуют солнечное излучение и молекулы воды в полезную энергию в форме глюкозы. Для этого они используют пигмент, обычно знаменитый хлорофилл, а также белки, ферменты и металлы.

Наиболее близким к искусственному фотосинтезу процессом, который сегодня есть у людей, является фотоэлектрическая технология, при которой солнечный элемент преобразует солнечную энергию в электричество. Этот процесс, как известно, неэффективен и способен улавливать лишь около 20% солнечной энергии. Фотосинтез, с другой стороны, радикально более эффективен; он способен накапливать 60% энергии солнца в виде химической энергии в связанных биомолекулах.

Эффективность простых фотоэлектрических элементов - солнечных панелей - ограничена способностью полупроводников поглощать световую энергию и способностью элемента вырабатывать энергию. Этот предел ученые могли бы превзойти с помощью синтетического фотосинтеза.

"При искусственном фотосинтезе нет фундаментальных физических ограничений", - сказал Пушкар. "Вы можете очень легко представить себе систему, которая эффективна на 60%, потому что у нас уже есть прецедент в области естественного фотосинтеза. И если мы будем очень амбициозны, мы могли бы даже представить себе систему с эффективностью до 80%.

"Фотосинтез чрезвычайно эффективен, когда дело доходит до расщепления воды, что является первым шагом искусственного фотосинтеза. Белки фотосистемы II в растениях делают это тысячу раз в секунду. Моргни, и все готово."

Группа Пушкар имитирует этот процесс, создавая свой собственный аналог искусственного листа, который собирает свет и расщепляет молекулы воды для получения водорода. Водород может использоваться в качестве топлива сам по себе с помощью топливных элементов или добавляться к другим видам топлива, таким как природный газ, или встраиваться в топливные элементы для питания всего - от транспортных средств до домов и небольших электронных устройств, лабораторий и больниц. Ее самое последнее открытие - понимание того, как молекулы воды расщепляются во время фотосинтеза, - было недавно опубликовано в журнале Химический катализ: Клеточный пресс.

Ученые из лаборатории Пушкаря экспериментируют с комбинациями природных белков фотосистемы II и синтетических катализаторов, пытаясь понять, что работает лучше всего - и почему. Она также уделяет приоритетное внимание использованию соединений и химикатов, которые имеются в изобилии на Земле, легкодоступны и нетоксичны для планеты.

Однако прогресс в области искусственного фотосинтеза осложняется тем фактом, что фотосинтез настолько многогранен, и этот факт оплакивают студенты-биохимики во всем мире.

"Реакция очень сложная", - сказал Пушкар. "Химия расщепления молекул воды чрезвычайно сложна и запутанна".

Ученые работают над искусственным фотосинтезом с 1970-х годов. Это долгий срок, но не тогда, когда вы помните, что для развития фотосинтеза потребовались миллионы лет. Не только это, но и ученые полагают, что, в отличие от полета, общения или интеллекта, фотосинтез развивался только один раз - около 3 миллиардов лет назад, всего около 1,5 миллиардов лет существования Земли.

Пушкар утверждает, что в течение следующих 10-15 лет будет достигнут достаточный прогресс, чтобы коммерческие системы искусственного фотосинтеза могли начать выходить в сеть. Ее исследования финансируются Национальным научным фондом.