關於支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保未來能夠繼續產出關於塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的報道。
為了捕獲太陽的豐富能量，基本上有兩種可用的工程模型：光伏 (PV) 電池，將太陽能轉化為流動的電子；或光合作用植物細胞，將太陽能轉化為植物食物。那麼哪種方法效果更好呢？畢竟，這樣的判斷可能有助於為決策者提供資訊，以決定是發展生物燃料還是太陽能發電。
但是，這個問題沒有簡單的答案，因為它引出了一個更深層次的問題：哪種方法更有價值？是產生的電子的絕對數量——即所謂的效率——還是將太陽光轉化為儲存的化學能？畢竟，儲存是一種高價值的特性，它使得最初從植物中提取的化石燃料如此有價值——廉價、能量密集、易於運輸且可儲存以供後續使用。太陽能或其他來源的電力則不然，電力必須在產生的瞬間被捕獲，並且目前只有有限且昂貴的儲存選擇：電池。
化學家內森·劉易斯指出：“如果能直接從陽光中高效地製造化學燃料[碳氫化合物，如石油中的那些]，那將是顛覆性的變革。”他領導的實驗室專注於這一前景：美國能源部的人工光合作用聯合中心。“它將最大的能源來源和最大的儲存結合在一起。”
因此，一個由 18 位生物學家、化學家和物理學家組成的小組著手回答這個問題，他們首先建立了大致等效的系統——正如人們常說的，蘋果與蘋果比較，而不是蘋果與橙子比較。光合作用（由藻類進行）每年將大約 3% 的入射陽光轉化為有機化合物，包括更多的植物細胞。“人工光合作用”——包括一個光伏電池，該電池提供電力將水分解為氫氣和氧氣——每年將大約 10% 的入射陽光轉化為可用的氫氣。
根據5 月 13 日發表在《科學》雜誌上的分析，這種差異表明光合作用可能還有改進的空間。畢竟，太陽能電池能夠吸收更多的太陽能，因為它們可以捕獲從紅外線到紫外線的整個電磁頻譜，而葉綠素和其他光合色素僅吸收可見光。向植物引入有助於它們捕獲紫外線或紅外線的色素可能會改變這種狀況。
另一個想法是重新配置光合作用本身。目前，植物採用兩個系統——稱為光系統 I 和光系統 II——將陽光、二氧化碳和水轉化為碳水化合物。但是，這兩個光系統都依賴於捕獲可見光光子，這意味著這兩個系統競爭每一束入射的陽光。如果科學家調整系統，使光系統 I 依賴可見光，而光系統 II 吸收，例如，紫外線——植物的效率將大大提高。
華盛頓大學聖路易斯分校的生物化學家羅伯特·布蘭肯希普是該分析報告的主要作者，他說：“這將是串聯光伏電池的生物學等效物”，或者說是吸收不同波長光線的堆疊式光伏電池。堆疊式光伏已被證明可以將超過 40% 的入射陽光轉化為電力，儘管價格高得令人望而卻步。這種合成的光合生物體隨後可能成為未來的燃料精煉廠——能源高階研究計劃署 (ARPA-e) 正在積極追求這一前景，ARPA-e 是一個新成立的聯邦機構，其任務是將替代能源的科學發現轉化為可部署的技術。
與此同時，任何生物陽光捕獲方法都面臨一個重要的限制——必須保持經過增強的細菌或植物的存活。ARPA-e 的技術副主任兼所謂電燃料專案經理、化學家埃裡克·圖恩解釋說：“我們不希望它們使用這些資源來製造細菌；我們希望它們使用這些資源來製造燃料。”他沒有參與這項分析，“當你調整細菌以關閉那些沒有達到你想要的目標的途徑時，你必須讓細菌能夠存活下來。”電燃料是一項利用極端微生物製造人類燃料的努力。
科學家們也沒有考慮其他可能降低這兩種方法或其中一種方法的效用的因素，例如土地或水資源需求、廢物、對食物供應的影響或任何其他相關的考慮因素。例如，氫燃料電池汽車仍然 costing 數十萬美元的事實可能會掩蓋人工光合作用生產最輕元素的用處。儘管如此，僅從將最多的陽光轉化為可用能源的角度來看，人工光合作用勝出。
但是，現在還不要排除自然界，無論是增強的還是其他的。畢竟，植物在某些方面做得非常好，而光伏電池——或人工光合作用系統——做不到，例如以低濃度吸收空氣中的二氧化碳（百萬分之 382 且還在上升），並利用陽光將其轉化為燃料和氧氣。
普林斯頓大學的化學家安德魯·博卡斯利說：“天然光合作用將二氧化碳轉化為糖，其中含有大量的碳-碳鍵。”他沒有參與這項分析，“我們研究二氧化碳化學已經很長時間了，超過 100 年，幾乎沒有證據表明我們能做到樹葉所做的事情。”
當然，植物還有另一個顯著的優勢——一個壞的光合作用細胞可以自我修復；事實上，這是其正常運作的一部分。迄今為止，還沒有任何人工系統——無論是超高效的還是其他的——能夠自我修復。