Wykorzystanie półsztucznej fotosyntezy do produkcji zrównoważonych substancji chemicznych i paliw
Fotosynteza to prastary proces, który pozwala na przetwarzanie energii. Przez miliardy lat rośliny wykorzystywały światło słoneczne, wodę i niewielkie stężenia dwutlenku węgla z atmosfery do produkcji paliwa w postaci cukrów. Sztuczna fotosynteza opiera się na tych samych zasadach, jednak materiały potrzebne do jej przeprowadzenia zostały stworzone przez człowieka. Oba procesy mają swoje zalety i ograniczenia: w przypadku systemów naturalnych problematyczną kwestią jest ich wydajność, z kolei systemy syntetyczne charakteryzuje szereg ograniczeń dotyczących produktów – od wytwarzania cukrów dzieli nas jeszcze długa droga. Półsztuczna fotosynteza to proces, który wykorzystuje najlepsze elementy obu tych procesów. Wykorzystuje enzymy z naturalnie występujących organizmów, takich jak bakterie, a następnie włącza je do systemów syntetycznych w roli katalizatorów. Takie rozwiązanie daje możliwość opracowywania nowych strategii rozwoju wysoce wydajnych technologii pozwalających na przetwarzanie energii słonecznej w zrównoważone paliwa chemiczne. „Jeśli chcemy osiągnąć zerową emisję netto do 2050 roku, nie wystarczy wytwarzanie dużych ilości energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych. Także zakłady petrochemiczne i fabryki tworzyw sztucznych będą musiały w którymś momencie stać się zrównoważone”, przekonuje Erwin Reisner, profesor na wydziale energii i zrównoważonego rozwoju Uniwersytetu Cambridge i koordynator projektu MatEnSAP. „Chcemy pomóc przemysłowi chemicznemu w procesie odchodzenia od paliw kopalnych na rzecz energii słonecznej lub innych zrównoważonych rozwiązań”, mówi badacz. Projekt MatEnSAP, finansowany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych (ERBN), zajmował się badaniem nowych katalizatorów biologicznych przeznaczonych do wykorzystania w procesie sztucznej fotosyntezy, tworząc tym samym podwaliny pod opracowanie procesu półsztucznej fotosyntezy.
Bakterie jako katalizatory
Zespół projektu MatEnSAP zbadał szereg enzymów pochodzących z organizmów biologicznych, które potencjalnie mogły okazać się dobrym rozwiązaniem w procesie syntetycznej fotosyntezy. Okazuje się, że niektóre z tych enzymów przetwarzają dwutlenek węgla w czyste paliwo niemal bez straty energii, co obecnie nie jest możliwe w przypadku katalizatorów syntetycznych. Zespół pracował również nad sposobami scharakteryzowania organizmów w celu znalezienia najbardziej odpowiednich z punktu widzenia tego procesu. „Każdy z tych organizmów charakteryzuje się różnymi właściwościami”, zauważa Reisner. „To właśnie z tego powodu aż kilka lat zajęło nam znalezienie jednego, który sprawdził się szczególnie dobrze w naszych rozwiązaniach”. Następnie zespół opracował szereg komponentów, które pozwoliły na potwierdzenie możliwości przeprowadzenia procesu półsztucznej fotosyntezy, w tym reaktory elektrochemiczne, absorbery światła i polimery.
Porowate rusztowania
Jednym z kluczowych osiągnięć projektu było opracowanie „porowatych rusztowań” wykonanych z tlenków metali w celu umieszczenia w nich enzymów. Rozmiar porów może zostać dostosowany w taki sposób, by idealnie pasował do enzymów. Uzyskane przez badaczy rusztowania mogą być układane w warstwy, co pozwala na zwiększenie skali reakcji w całym układzie. Elektrony generowane przez panele fotowoltaiczne mogą być dostarczane bezpośrednio do enzymów, co pozwala na wykorzystanie światła słonecznego jako źródła energii na potrzeby procesu syntezy paliwa z dwutlenku węgla. „Było to możliwe dzięki rusztowaniom, co potwierdziliśmy przy pomocy różnych technik opracowanych w ramach projektu”, mówi Reisner.
W kierunku zrównoważonego przemysłu chemicznego
Zespół badał możliwości wykorzystania tych organizmów w innych reakcjach, w tym w upcyklingu odpadów. Badacze pracują obecnie nad uzyskaniem zrównoważonych środków chemicznych z odpadów z tworzyw sztucznych, ponadto trwają prace nad utworzeniem spółki wykorzystującej ten proces. Prace realizowane w ramach projektu MatEnSAP będą kontynuowane w ramach kolejnej finansowanej przez ERBN inicjatywy o nazwie SolReGen. Dzięki projektowi MatEnSAP zagadnienie półsztucznej fotosyntezy stało się obiecującym obszarem badań, który może zaowocować nowymi technologiami. Obecnie jesteśmy świadkami prężnego rozwoju tej dziedziny, a na całym świecie prowadzonych jest wiele powiązanych projektów badawczych, szczególnie w dziedzinie paliw słonecznych. „Mamy do czynienia z bardzo szybko rozwijającą się dziedziną badań”, dodaje Reisner. „Z punktu widzenia wpływu na środowisko akademickie, myślę, że nasz projekt odniósł spory sukces”.
Słowa kluczowe
MatEnSAP, fotosynteza, półsztuczna fotosynteza, bakterie, enzymy, słoneczne, paliwa, chemikalia, ekologiczny