Sztuczna fotosynteza. Nadchodzi nieograniczone źródło paliw?

Przez ostatnie stulecia w energetyce polegamy na paliwach kopalnych, ale najbardziej efektywny proces wytwarzania użytecznej energii mamy tuż pod nosem. To fotosynteza, którą wykorzystują rośliny i bakterie zawierające chlorofil. Niestety, do tej pory nie udało się jej odtworzyć w warunkach laboratoryjnych – aż do teraz.
Czy fotosyntezę można odtworzyć, a wręcz ulepszyć? /Fot. University of Chicago

Czy fotosyntezę można odtworzyć, a wręcz ulepszyć? /Fot. University of Chicago

Zgodnie z definicją, fotosynteza to proces wytwarzania związków organicznych z materii nieorganicznej, zachodzący w komórkach zawierających chlorofil lub bakteriochlorofil, przy udziale światła. Jest jednym z najważniejszych procesów na Ziemi – dzięki niemu w atmosferze jest utrzymywany wysoki poziom tlenu. Fotosynteza zachodzi w dwóch, jednocześnie zachodzących etapach – fazie jasnej i ciemnej.

Naukowcy z Uniwersytetu w Chicago przedstawili innowacyjny system sztucznej fotosyntezy, który jest o rząd wielkości wydajniejszy od wcześniejszych tego typu rozwiązań. W przeciwieństwie do zwykłej fotosyntezy, która wytwarza węglowodany z dwutlenku węgla i wody, sztuczna fotosynteza mogłaby produkować… paliwa. Szczegóły opisano w czasopiśmie Nature Catalysis.

Czytaj też: Żywność można pozyskać bez słońca. Jak pomaga w tym sztuczna fotosynteza?

Prof. Wenbin Lin z Uniwersytetu w Chicago mówi:

Bez fotosyntezy nie byłoby nas tutaj. Dzięki niej powstał tlen, którym oddychamy na Ziemi i dzięki niej powstaje jedzenie, które jemy. Ale fotosynteza nigdy nie będzie wystarczająco wydajna, aby dostarczyć nam paliwa do napędzania samochodów, więc musimy ją ulepszyć.

Raczkująca sztuczna fotosynteza

W naturze fotosynteza była ulepszana setki tysięcy lat, więc teraz jest przeprowadzana przez kilka złożonych białek i pigmentów. Pobierają one wodę i dwutlenek węgla, rozbijają cząsteczki i zmieniają układ atomów, tworząc węglowodany – długie łańcuchy związków zbudowanych z wodoru, tlenu i węgla. Okazuje się, że reakcję tę można zmodyfikować w taki sposób, aby pozwoliła na tworzenie metanu.

Prof. Wenbin Lin wyjaśnia:

Największym wyzwaniem, z którego wiele osób nie zdaje sobie sprawy, jest to, że nawet natura nie ma rozwiązania dla ilości energii, którą zużywamy.

Jego zespół wpadł na pomysł, aby dodać do układu szkielety metalo-organiczne (MOF) – klasy związków składających się z jonów metali utrzymywanych razem przez organiczne łączniki. Zgrupowano je w pojedynczą warstwę i zanurzono w roztworze, który zawierał związek kobaltu do przenoszenia elektronów. Na koniec dodano do MOF-ów aminokwasy i tak manipulowali mieszanką, by uzyskać najlepsze rezultaty.

Czytaj też: Sztuczny liść: fotosynteza ulepszona przez technologie

Dzięki takim modyfikacjom procesu fotosyntezy, udało się ulepszyć obie jej fazy. W obu przypadkach aminokwasy pomogły w usprawnieniu reakcji. Do komercjalizacji sztucznej fotosyntezy droga jeszcze daleka, bo proces na razie się nie skaluje. Na przełom czeka nie tylko branża paliwowa, ale także farmaceutyczna, bo sztuczna fotosynteza może pomóc w efektywniejszej produkcji leków.