Обычные солнечные электростанции зависят от капризов погоды и суток: освещение то усиливается, то становится хуже, и для выравнивания энергоэффективности почти всегда нужны батареи и сложная электроника.
В природе все иначе: обычный лист может эффективно использовать даже рассеянный свет в пасмурную погоду. Специалисты Осакского столичного университета вдохновились природой, создав систему искусственного фотосинтеза, которая сама подстраивается под изменения солнечного освещения и превращает углекислый газ и воду в муравьиную кислоту.
Разработанная японскими учеными установка относится к классу солнечно-топливных систем: фотоэлектрические панели вырабатывают ток, а специальный электролизер на этом токе превращает энергию в химическую форму, производя жидкое топливо — в данном случае, раствор муравьиной кислоты. Обычно между панелями и электролизером ставят блок максимального съема мощности (MPPT), преобразователь и часто аккумулятор. Это позволяет панели работать на максимальной эффективности при меняющемся уровне освещения, но делает систему сложной и дорогой — фактически приходится строить «мини‑электростанцию» только ради того, чтобы затем запустить химическую реакцию.
Специалисты из Осаки пошли другим путем: они заложили функцию самоподстройки прямо в электролизер. В его сердце — твердый электролит со специальным свойством: при повышении температуры его ионное сопротивление падает, и через него легче проходит ток. Когда солнце светит ярче, панель дает больше мощности, электролизер сильнее греется, его сопротивление падает — и он способен «принять» больший ток, не уводя панель от ее оптимального режима. Когда свет ослабевает, устройство остывает и естественным образом снижает потребление тока. Ученые называют это «химическим MPPT»: функцию согласования берет на себя сама химическая система, а не отдельный блок электроники.
Второй уровень управления связан с потоками жидкости. Небольшие насосы регулируют подачу воды и CO₂ в зависимости от текущей силы тока: чем она выше, тем быстрее идет реакция и тем сильнее нужно увеличивать поток, чтобы концентрация муравьиной кислоты оставалась в нужных пределах; при слабом солнце поток уменьшают, чтобы продукт не разбавлялся слишком сильно. Одновременно это же устройство управляет и отводом тепла, которое также влияет на температуру и сопротивление электролита.
В полевых испытаниях под естественным солнцем система стабильно производила чистый водный раствор муравьиной кислоты, несмотря на колебания освещенности в течение дня. Авторы подчеркивают, что это пока демонстрация принципа: нужно проверить долговечность электролизера и работу системы при очень слабом и очень сильном освещении. Но потенциал разработки уже очевиден: именно такие простые автономные установки можно будет использовать в будущем для улавливания CO₂, производства жидкого топлива и химикатов в удаленных районах — без громоздких батарей и сложной силовой электроники.
