Fotosynthese: fundamenteel mechanisme voor het leven op deze planeet, plaag van GCSE biologiestudenten, en nu een mogelijke manier om klimaatverandering te bestrijden. Wetenschappers werken er hard aan om een kunstmatige methode te ontwikkelen die nabootst hoe planten zonlicht gebruiken om CO2 en water om te zetten in iets dat we als brandstof kunnen gebruiken. Als het werkt, is het een win-winscenario voor ons: we profiteren niet alleen van hernieuwbare energie die op deze manier wordt geproduceerd, maar het kan ook een belangrijke manier worden om het CO2-gehalte in de atmosfeer te verlagen.
Het kostte planten echter miljarden jaren om fotosynthese te ontwikkelen, en het is niet altijd een gemakkelijke taak om te repliceren wat er in de natuur gebeurt. Op dit moment werken de basisstappen in kunstmatige fotosynthese, maar niet erg efficiënt. Het goede nieuws is dat het onderzoek op dit gebied in een stroomversnelling komt en dat er wereldwijd groepen zijn die stappen zetten om dit integrale proces te benutten.
Fotosynthese in twee stappen
Fotosynthese gaat niet alleen over het opvangen van zonlicht. Een hagedis die in de warme zon baadt, kan dat. Fotosynthese evolueerde in planten als een manier om deze energie op te vangen en op te slaan (het "foto"-bit) en om te zetten in koolhydraten (het "synthese"-bit). Planten gebruiken een reeks eiwitten en enzymen die worden aangedreven door zonlicht om elektronen vrij te maken, die op hun beurt worden gebruikt om CO2 om te zetten in complexe koolhydraten. In principe volgt kunstmatige fotosynthese dezelfde stappen.
"Bij natuurlijke fotosynthese, die deel uitmaakt van de natuurlijke koolstofcyclus, gaan we licht, CO2 en water de plant in en de plant maakt suiker", legt Phil De Luna uit, een promovendus bij de afdeling Electrical and Computer Engineering van de Universiteit van Toronto. “Bij kunstmatige fotosynthese gebruiken we anorganische apparaten en materialen. Het eigenlijke zonneoogstgedeelte wordt gedaan door zonnecellen en het energieomzettingsgedeelte wordt gedaan door elektrochemische [reacties in aanwezigheid van] katalysatoren."
Wat echt aanspreekt bij dit proces is de mogelijkheid om brandstof te produceren voor langdurige energieopslag. Dit is zoveel meer dan wat de huidige hernieuwbare energiebronnen kunnen doen, zelfs met opkomende batterijtechnologie. Als de zon niet schijnt of als het geen winderige dag is, bijvoorbeeld, stoppen zonnepanelen en windparken gewoon met produceren. “Voor langdurige seizoensopslag en opslag in complexe brandstoffen hebben we een betere oplossing nodig”, zegt De Luna. "Batterijen zijn geweldig voor dagelijks gebruik, voor telefoons en zelfs voor auto's, maar we zullen nooit een [Boeing] 747 met een batterij gebruiken."
Uitdagingen om op te lossen
Als het gaat om het maken van zonnecellen – de eerste stap in het proces van kunstmatige fotosynthese – hebben we de technologie al in huis: zonne-energiesystemen. De huidige fotovoltaïsche panelen, die typisch op halfgeleiders gebaseerde systemen zijn, zijn echter relatief duur en inefficiënt in vergelijking met de natuur. Er is een nieuwe technologie nodig; een die veel minder energie verspilt.
Gary Hastings en zijn team van de Georgia State University, Atlanta, zijn mogelijk op een startpunt gestuit toen ze naar het oorspronkelijke proces in planten keken. Bij fotosynthese is het cruciale punt het verplaatsen van elektronen over een bepaalde afstand in de cel. Heel simpel gezegd is het deze beweging die wordt veroorzaakt door zonlicht dat later wordt omgezet in energie. Hastings toonde aan dat het proces van nature zeer efficiënt is omdat deze elektronen niet terug kunnen naar hun oorspronkelijke positie: "Als het elektron teruggaat naar waar het vandaan kwam, dan gaat de zonne-energie verloren." Hoewel deze mogelijkheid zeldzaam is in planten, komt het vrij vaak voor bij zonnepanelen, wat verklaart waarom ze minder efficiënt zijn dan het echte werk.
Hastings gelooft dat dit "onderzoek waarschijnlijk de zonneceltechnologieën zal bevorderen die verband houden met de productie van chemicaliën of brandstof", maar hij wijst er snel op dat dit op dit moment slechts een idee is en dat het onwaarschijnlijk is dat deze vooruitgang op korte termijn zal plaatsvinden. "Wat betreft de fabricage van een volledig kunstmatige zonneceltechnologie die is ontworpen op basis van deze ideeën, geloof ik dat technologie verder weg is in de toekomst, waarschijnlijk niet binnen de komende vijf jaar, zelfs niet voor een prototype."
Een probleem dat volgens onderzoekers bijna is opgelost, betreft de tweede stap in het proces: het omzetten van CO2 in brandstof. Omdat dit molecuul erg stabiel is en er ongelooflijk veel energie voor nodig is om het te breken, gebruikt het kunstmatige systeem katalysatoren om de benodigde energie te verlagen en de reactie te versnellen. Deze benadering brengt echter zijn eigen problemen met zich mee. Er zijn de afgelopen tien jaar veel pogingen gedaan met katalysatoren gemaakt van mangaan, titanium en kobalt, maar langdurig gebruik is een probleem gebleken. De theorie lijkt misschien goed, maar ze stoppen na een paar uur met werken, worden onstabiel, traag of veroorzaken andere chemische reacties die de cel kunnen beschadigen.
Maar een samenwerking tussen Canadese en Chinese onderzoekers lijkt de jackpot te hebben gewonnen. Ze hebben een manier gevonden om nikkel, ijzer, kobalt en fosfor te combineren om te werken in een neutrale pH, waardoor het systeem aanzienlijk eenvoudiger wordt. "Omdat onze katalysator goed kan werken in elektrolyt met een neutrale pH, wat nodig is voor CO2-reductie, kunnen we de elektrolyse van CO2-reductie uitvoeren in [een] membraanvrij systeem, waardoor de spanning kan worden verlaagd", zegt Bo Zhang, van de afdeling Macromoleculaire Wetenschappen aan de Fudan University, China. Met een indrukwekkende elektrische-naar-chemische stroomconversie van 64% is het team nu recordhouders met de hoogste efficiëntie voor kunstmatige fotosynthesesystemen.
“Het grootste probleem met wat we nu hebben is schaal”
Voor hun inspanningen bereikte het team de halve finale in de NRG COSIA Carbon XPRIZE, waarmee ze $ 20 miljoen konden winnen voor hun onderzoek. Het doel is om "doorbraaktechnologieën te ontwikkelen die de CO2-uitstoot van elektriciteitscentrales en industriële faciliteiten zullen omzetten in waardevolle producten" en met hun verbeterde kunstmatige fotosynthesesystemen maken ze een goede kans.
De volgende uitdaging is schaalvergroting. “Het grootste probleem met wat we nu hebben, is schaal. Als we opschalen, verliezen we efficiëntie”, zegt De Luna, die ook betrokken was bij het onderzoek van Zhang. Gelukkig hebben onderzoekers hun lijst met verbeteringen niet uitgeput en proberen ze nu katalysatoren efficiënter te maken door verschillende samenstellingen en verschillende configuraties.
Winnen op twee fronten
Er is zeker nog ruimte voor verbetering op zowel de korte als de lange termijn, maar velen zijn van mening dat kunstmatige fotosynthese het potentieel heeft om een belangrijk hulpmiddel te worden als een schone en duurzame technologie voor de toekomst.
“Het is ongelooflijk spannend omdat het veld zo snel beweegt. In termen van commercialisering bevinden we ons op het omslagpunt", zegt De Luna, eraan toevoegend dat of het werkt "afhangt van veel factoren, waaronder openbaar beleid en de acceptatie door de industrie om technologie voor hernieuwbare energie te accepteren. .”
De wetenschap onder de knie krijgen is dus eigenlijk pas de eerste stap. In het kielzog van onderzoek door onder meer Hastings en Zhang zal de cruciale stap komen om kunstmatige fotosynthese op te nemen in onze wereldwijde strategie rond hernieuwbare energie. De inzet is hoog. Als het doorzet, kunnen we op twee fronten winnen: niet alleen door brandstoffen en chemische producten te produceren, maar ook door onze ecologische voetafdruk te verkleinen.