„Voda je uhlím budoucnosti.“ Autorem této předpovědi není nikdo jiný než Jules Verne, který vložil prorockou větu do úst Cyrusi Smithovi v románu Tajuplný ostrov. Vernův technický všeuměl v roce 1874 předvídá, že lidstvo bude v daleké budoucnosti získávat energii z vody rozložené na prvky, tedy na vodík a kyslík. Vernova „vzdálená budoucnost“ se během 150 let transformovala na budoucnost blízkou. Jsme k tomu tlačeni i faktem, že stávající výroba energie krytá z 84 % spalováním fosilních paliv generuje řadu problémů. Dnešní věda proto zkouší zapřáhnout do výroby energie síly přírodního procesu fotosyntézy.
Fotosyntéza probíhá v rostlinách ve dvou principiálních krocích. S přispěním sluneční energie se při ní rozkládá voda na kyslík a vodík. Následně pak v druhé fázi vznikají reakcemi vodíku s oxidem uhličitým organické molekuly bohaté na energii. Na fotosyntéze je přímo či nepřímo existenčně závislý prakticky veškerý pozemský život.
Výroba vodíku
Vodík je skvělé palivo. Z každého kilogramu lze spalováním získat 120 megajoulů energie za vzniku neškodného odpadu v podobě vody. Výroba vodíku je ale komplikovaná. Mnohé metody jsou energeticky náročné, jiné využívají technologie poškozující životní prostředí. Zhruba polovina světové energie ve formě vodíku se dnes vyrábí jeho uvolněním z uhlí, zatímco biologickými procesy jí vyrábíme jen 0,1 %. To se může změnit, pokud do služeb lidstva zapřáhneme umělou fotosyntézu a s přispěním sluneční energie budeme rozkládat vodu na vodík a kyslík. Vody jako základní suroviny se na naší planetě nabízí dostatek.
Štěpení vody na vodík a kyslík sluneční energií za vydatné pomoci vhodných katalyzátorů patří k nejperspektivnějším způsobům produkce vodíku. Už proto, že denně dopadá na povrch naší planety 1022 joulů sluneční energie, což by pokrylo spotřebu lidstva na celý rok. Základy využití umělé fotosyntézy k výrobě vodíku položili už počátkem 70. let japonští vědci. Klíčem k úspěchu je fotokatalyzátor, který pohltí sluneční energii a nabudí tak elektrony ve svých atomech. V tomto stavu pak dokáže vytrhnout z molekuly vody atom vodíku. Dva takto uvolněné atomy následně vytvoří stabilní molekulu vodíku H2.
Alfou a omegou pokroku v umělé fotosyntéze je vývoj výkonných fotokatalyzátorů. Japonští průkopníci použili oxid titaničitý známý také jako titanová běloba. Od té doby ale vývoj notně pokročil. První fotokatalyzátory pracovaly jen s využitím ultrafialové složky slunečního záření. Ta má sice nejvyšší energii, ale tvoří jen asi 6 % celkové sluneční energie dopadající na povrch Země. Více než polovina připadá na záření ve viditelném spektru a přes 40 % na infračervené záření. Dnes jsou k dispozici fotokatalyzátory, které usnadňují rozklad vody i při viditelném a infračerveném světle.
Další významný faktor limitující produkci vodíku umělou fotosyntézou představuje konstrukce fotokatalytických reaktorů. Drtivá většina dnešních reaktorů je určena pro laboratorní experimenty. Mají obvykle kapacitu do 1 litru a pro praktické účely se nehodí. Potýkají se s řadou problémů, např. s přívodem světla, obnovou katalyzátoru atd.
Jistě ne náhodou vyvíjejí na poli fotokatalytické produkce vodíku značnou aktivitu týmy napojené na přední světové automobilky. Na rozdíl od elektromobilů by měly automobily poháněné vodíkem výhodu v tom, že vodík lze celkem dobře skladovat a transportovat. Některá auta na vodík už po silnicích jezdí, ale jejich konstruktéři narážejí na řadu obtíží. Vodíkové palivové články pracují nejlépe při stabilním výkonu. Na udržení vozidla na stálé rychlosti po rovině vystačí vůz zhruba s 15 kW ale při zrychlení vyžaduje mnohonásobně vyšší výkon. A na to vodíkové spalovací články nestačí. Výrobci to řeší přídatnou baterií podobnou té, s jakou jezdí benzinově-elektrické hybridy. Další problém představuje možný únik vodíku. Jeho reakce se vzdušným kyslíkem provází exploze. A v neposlední řadě je tu otázka vybudování sítě čerpacích stanic.
