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(odnośnik otworzy się w nowym oknie) i koordynator projektu MatEnSAP(odnośnik otworzy się w nowym oknie). „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(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (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”.
