人工模拟光合作用生产氢气，未来的汽车有福了
编者注：人类对新能源的探索从未停止过。植物可以通过光合作用提供自身所需的能量，并产生氧气。那么人类是否也能从大自然中摘得一片「绿叶」，为自己制造能源呢？「预言家」比尔·盖茨近期认为，人工光合作用具备光明前景，能为未来的汽车提供充足、清洁的能源。
本文编译自 Futurism，原文标题「Bill Gates: Artificial Photosynthesis Can Produce Clean Fuel for the Cars of Tomorrow」。
头图来源：Haiku Deck
人工光合作用
作为自然界中的一项重要过程，光合作用不仅养活了植物本身，还养活了地球上的其他生物，包括人类。植物把二氧化碳和水转化成碳水化合物和氧气，其中碳水化合物供植物消耗，释放的氧气则是人类和其他动物生存的前提。
植物复杂化学过程中的重要一步就是将水拆分为氢和氧，如果跳出植物的视角，我们能否自己利用阳光来生产可供燃烧的氢气呢？这是人工光合作用（Artificial Photosynthesis）的核心问题。「如果可行的话，这将是一件神奇的事，」比尔·盖茨在接受路透社的采访时说道，「因为液态氢不像电池那样存在间歇性故障，你可以把液体氢装在燃料罐里，随时需要随时燃烧。」
人工光合作用的目的是利用阳光将海水、河水分解成氢气、氧气、碳成分。其中，氢气是电动汽车绝佳的燃料，也能用来储存太阳能。和电池相比，像氢气这样的液体燃料有着独特优势——重量轻、体积小。
人工光合作用简图如下。顶部薄膜可吸收阳光、二氧化碳和水，同时允许氧气释放；内部薄膜的特定分子可帮助催化反应并生成燃料；底层将燃料转移保存。
将人工光合作用的产物按一定比例混合后还能得到甲醇，甲醇因为各种优势而被当作内燃机的燃料。目前中国是世界上最大的甲醇消耗国，一些地区的加油站为私家车提供的是混合了 15% 或更少甲醇的汽油，而运输车辆使用的汽油中甲醇的比例可高达 85%。
当然，氢气并不是最理想的燃料，因为世界上绝大部分的基础设施都是针对更高密度的能耗供应来建造的，比如汽油和天然气。清洁制氢的最直接收益大概就是有助于氨肥的可持续生产。所以，人们可能更倾向于把氢气当作一种辅助性材料。斯坦福大学教授 Jens Norskov 说：「我觉得氢气可以作为一种提升其他技术的手段。」
人工光合作用还能和固氮细菌「联姻」。前者产生的氢气能帮助固氮细菌在土壤中合成氮肥料。这一技术能在不使用传统化肥的情况下能大大提高农作物产量。除此之外，这些细菌还能将人工光合作用产生的氢气变成一系列的「宝贝」：药物、肥料、燃料、塑料，这些都由细菌体内的新陈代谢决定。
挑战与希望并存
人工光合作用面临的主要挑战是，如何提高转化效率。自然状态下的光合作用效率很低，植物只将约 1% 的二氧化碳和水转化成了碳水化合物。实验室的转化效率能达到 10%，而澳大利亚的莫纳什大学（Monash University）的研究人员将转化效率提升到了 22%。但要满足未来对氢能源的需求，目前的水平还不够。
一向看好新能源的比尔·盖茨格外关注人工光合作用。2015 年，他还和多位全球商界名人联合成立了一个旨在全球范围内开发清洁能源的机构——突破能源联盟 (Breakthrough Energy Coalition)。该机构将着力于在 5 个关键领域发展清洁能源：发电、储藏、交通、工业、农业，主要宗旨是让能源体系变得更有效。马云、马克·扎克伯格、贝佐斯等都是该基金会的投资人。
比尔·盖茨把新形式的能源发展视作重中之重，并希望打乱现有的能源机构，刺激更多的新发现，为能源发展做出有意义的改变。
「我们想给大家一个惊喜，让他们知道用新的方式生产能源既可以是清洁的又能是经济的，」比尔·盖茨说道，「要避免化石能源危机，我们要全力以赴地投入研究。」
