眾所周知，樹葉的光合作用能把二氧化碳和水變成氧氣和碳水化合物如糖，更是它給予一切生物食物鏈的糧食起點；核發電可以帶來無可救藥的生態災難，那麼光合作用發電又如何？一個香港中學女生的發明，竟然令世界出現轉機……
記者：馮敏兒
攝影：譚盈傑、伍慶泉
何謂光合作用？
樹葉中有一種神奇物質叫葉綠素，它可將無機物變有機物，葉綠素接收太陽的光子後，作出連環化學反應，能把二氧化碳和水，分解成氧氣和碳水化合物如葡萄糖，但除了這種產氧光合作用，還有另一種生產氫氣的光合作用。其實葉綠素不是把所有太陽光都轉化，它只吸收紅和紫兩端的光譜，綠色其實是葉綠素沒能吸收並反射的色素。在理工大學研究太陽能電池的博士研究生汪遠昊先生指出：「光合作用是個很複雜的過程，包括光的捕捉吸收的『光反應』，把二氧化碳轉換成糖的『暗反應』，都是相當繁瑣的代謝過程，包含能量和物質轉換，中間還有生物酶的催化。人類目前的科技水平，還不能完全複製光合作用每個環節，且整體成本亦極昂貴。光合作用一般只能在白天進行，而呼吸作用是無時無刻都在進行，因此實際上我們吃到的食物，是植物光合作用累積的碳水化合物減去呼吸作用消耗，餘下的碳水化合物的淨差值。」
從太陽能到光合作用發電
地球生物得以生生不息，大部份是太陽能的恩賜，化石燃料如石油便是累積了億萬年的太陽能源衍生物，而我們一般所說的太陽能發電，其實是指以矽（silicon）製造的電池板技術，把光子轉化成電流，過程中模擬光合的作用，就如一片「人工葉」讓太陽曬着，就能生產電力和能源。中國也有利用光合作用培植微藻的研究，但成品不是氫，而是從藻身上提取的生物柴油作燃料。
藍綠藻製造能源
大埔迦密柏雨中學的中七同學陳凱誼，去年透過研究「藍綠藻厭氧光合作用提供光合氫」獲得「明天小小科學家」及多個國際發明獎，竟然就是記者追查的光合作用太陽能命題，她拿着從內地一些受污染的湖泊取來的藍綠藻（俗稱紅潮），利用光合作用生產氫氣，把氫氣驅動模型車起動了，她說：「藍綠藻本身是廢物，會污染環境，但如果幫它進行厭氧光合作用，就會釋出氫氣，那跟平常的光合作用差不多。但在無氧氣情況下，即厭氧，它釋放的除了氧氣，還有氫氣，氫氣就可用來發電。」
她的啟蒙和指導研究的化學老師葉婉如女士指出：「將氫氣變成電力，原理上絕對不是新發明，但同學這個發明為何那麼有創意，可以拿取世界賽的銀牌，因為從來無人想過藍綠藻這種污物可把光合作用反轉！由於香港對綠色能源的開發非常落後，香港完全沒人研究利用藍綠藻產生電力，至於內地，就我們搜集到的大學研究報告，也沒有提及，但外國就很多！」
陳凱誼說：「藍綠藻的厭氧光合作用，將水分解為氫離子和氧氣，當中的氧氣用來呼吸，而從氫離子轉化成的氫氣就會被排出，當氫氣用作燃料電池的還原劑，就能產生電力。細細一樽藍綠藻，三個星期就可產生一公升氫氣；大約要用十分一個太湖的藍綠藻，就可提供足夠電量供香港每一日使用。」葉老師補充：「藍綠藻在密封的樽內放約四晚就會缺氧，進入厭氧環境，釋出氫氣，過程中藍綠藻不需要被犧牲，其生長過程就像我們呼吸氧氣一樣，但呼出的是氫氣，直至它壽終正寢。因為它的生長過程中會自我複製，一代傳一代，我們現在的技術只能讓藍綠藻三個星期內不死，因為厭氧的生存環境始終惡劣。不像外國家家戶戶都擁有自己的湖泊水池，在香港的家居很難做到，而且藍綠藻有一定厭惡性和不衞生，但交由發電廠則絕對可行。現在我們所見的所謂利用藍綠藻發電，是將藍綠藻變成生物能源，變成汽油，燃料電池所用的氫氣，是經過發電廠燃燒石化燃料產生的電力製造，但同時製造二氧化碳，但我們就不需要這一步驟，所以我們發明的氫氣是真正『炭中性的綠色能源』！」
即場學術評核 氫氣儲存和運輸是問題
太陽能電池專家汪遠昊先生，看過陳凱誼同學的研究報告後大為讚賞：「對一個中七生來說，真的不容易，更是很不錯而具學術性的研究，她對藍綠藻產生氫氣的過程進行了各種研究，從不同溫度、壓強和濃度的藍綠藻對製氫總量的影響，並將製取的氫氣應用在小型燃料電池驅動的模型車上，具有示範性作用！但如果從嚴格的學術角度，還有不足之處，例如氫氣的儲存和運輸一直存在大問題，也是氫氣驅動的質子膜燃料電池一直不能規模化生產的原因。因為氫分子很小，容易從儲存器逃跑掉，而且氫氣在常溫下，無法被壓縮成液態，一旦洩漏很容易爆炸，所以氫氣的儲存和運輸正是各國的研究熱點。還要考慮經濟效益問題，例如足夠快嗎？成本足夠低嗎？是否適合規模工業化呢？陳同學對比太陽能電池和風力發電，認為藍綠藻製氫氣的方式更有優勢，譬如從太陽能轉換成氫能的效率可以達80%，其實不準確，因為太陽光包括不同頻率的光，不是所有頻率的光都可被藍綠藻吸收，所謂80%其實尚未包括佔了絕大多數，沒被吸收的光子，因此總體效率其實還很低。已經規模化的太陽電池效率已可達18%至20%，實驗室中的最高效率更可達40%以上，因此陳同學論文中的11%已過時。目前太陽能佔總發電量不超過1%，不過非常重視清潔能源尤其是太陽能的德國，其再生能源的總發電量在09年已有16.1%，德國的火力發電成本與太陽能發電成本很接近，但中國的煤價實在太便宜了！」他補充說中國在太陽能光電光伏的利用上雖落後，但製作方面則是世界首位，光伏市場呈現爆發式的增長，光在國內就創造了數十個億萬富翁！」
