Kako se svet suočava sa sve većom potražnjom za čistim i održivim izvorima energije, naučnici se okreću moći fotosinteze za inspiraciju. Sa ciljem razvoja novih, ekološki prihvatljivih tehnika za proizvodnju vodoničnog goriva sa čistim sagorevanjem, tim istraživača sa Univerziteta u Ročesteru kreće u revolucionarni projekat oponašanja prirodnog procesa fotosinteze koristeći bakterije za isporuku elektrona u nanokristalni poluprovodnički fotokatalizator.
U radu objavljenom u časopisu PNAS, Kara Bren, Richard S. Eisenberg profesor hemije u Rochesteru, i Todd Krauss, profesor hemije, demonstriraju da bakterija Shevanella oneidensis nudi efektivno besplatan, ali efikasan način za obezbjeđivanje elektrona njihovom sistemu veštačke fotosinteze.
Koristeći jedinstvena svojstva ovih mikroorganizama zajedno sa nanomaterijalima, sistem ima potencijal da zameni trenutne pristupe koji izvode vodonik iz fosilnih goriva, revolucionišući način na koji se proizvodi vodoničko gorivo i otključavajući moćan izvor obnovljive energije.
„Vodonik je trenutno gorivo od velikog interesa za DOE“, kaže Bren. „Ako možemo da smislimo način da efikasno izvučemo vodonik iz vode, to bi moglo dovesti do neverovatnog rasta čiste energije.“
Vodonik je „idealno gorivo“, kaže Bren, „zato što je ekološki prihvatljiv i alternativa fosilnim gorivima bez ugljenika“.
Vodonik je najzastupljeniji element u univerzumu i može se proizvesti iz različitih izvora, uključujući vodu, prirodni gas i biomasu. Za razliku od fosilnih goriva, koja proizvode gasove staklene bašte i druge zagađivače, kada se sagoreva vodonik, jedini nusproizvod je vodena para.
Vodonično gorivo takođe ima visoku gustinu energije, što znači da sadrži mnogo energije po jedinici težine. Može se koristiti u različitim aplikacijama, uključujući gorivne ćelije, i može se napraviti u malim i velikim razmerama, što ga čini izvodljivim za sve, od kućne upotrebe do industrijske proizvodnje.
Uprkos obilju vodonika, na Zemlji praktično nema čistog vodonika; skoro uvek je vezan za druge elemente, kao što su ugljenik ili kiseonik, u jedinjenjima kao što su ugljovodonici i voda. Da bi se koristio vodonik kao izvor goriva, mora se ekstrahovati iz ovih jedinjenja.
Naučnici su istorijski izdvajali vodonik ili iz fosilnih goriva, ili, u skorije vreme, iz vode. Da bi se postiglo ovo poslednje, postoji veliki napor da se primeni veštačka fotosinteza.
Tokom prirodne fotosinteze, biljke apsorbuju sunčevu svetlost, koju koriste za pokretanje hemijskih reakcija za pretvaranje ugljen-dioksida i vode u glukozu i kiseonik. U suštini, svetlosna energija se pretvara u hemijsku energiju koja pokreće organizam.
Slično, veštačka fotosinteza je proces pretvaranja obilne sirovine i sunčeve svetlosti u hemijsko gorivo. Sistemi koji oponašaju fotosintezu zahtevaju tri komponente: apsorber svetlosti, katalizator za proizvodnju goriva i izvor elektrona. Ovi sistemi su obično potopljeni u vodu, a izvor svetlosti obezbeđuje energiju apsorberu svetlosti. Energija omogućava katalizatoru da kombinuje obezbeđene elektrone zajedno sa protonima iz okolne vode da bi proizveo gas vodonika.
Većina sadašnjih sistema se, međutim, oslanja na fosilna goriva tokom procesa proizvodnje ili nemaju efikasan način za prenos elektrona.
„Način na koji se vodonično gorivo sada proizvodi efektivno ga čini fosilnim gorivom“, kaže Bren. „Želimo da dobijemo vodonik iz vode u reakciji koju pokreće svetlost, tako da imamo zaista čisto gorivo – i to na način da ne koristimo fosilna goriva u tom procesu.
Krausova grupa i Brenova grupa radile su oko deceniju na razvoju efikasnog sistema koji koristi veštačku fotosintezu i koristi poluprovodničke nanokristale za apsorbere i katalizatore svetlosti.
Jedan izazov sa kojim su se istraživači suočili bio je pronalaženje izvora elektrona i efikasno prenošenje elektrona sa donora elektrona na nanokristale. Drugi sistemi su koristili askorbinsku kiselinu, opšte poznatu kao vitamin C, za isporuku elektrona nazad u sistem. Iako vitamin C može izgledati jeftino, „potreban vam je izvor elektrona koji je skoro besplatan ili sistem postaje preskup“, kaže Krauss.
U svom radu, Krauss i Bren izvještavaju o malo vjerovatnom donoru elektrona: bakterijama. Otkrili su da Shevanella oneidensis, bakterija koja je prvi put sakupljena iz jezera Oneida u severnoj državi Njujork, nudi efektivno besplatan, ali efikasan način da obezbedi elektrone njihovom sistemu.
Dok su druge laboratorije kombinovale nanostrukture i bakterije, „svi ti napori uzimaju elektrone iz nanokristala i stavljaju ih u bakterije, a zatim koriste bakterijsku mašineriju za pripremu goriva“, kaže Bren. „Koliko znamo, naš je prvi slučaj da idemo suprotnim putem i koristimo bakterije kao izvor elektrona za nanokristalni katalizator.
Kada bakterije rastu u anaerobnim uslovima — u uslovima bez kiseonika — one udišu ćelijske supstance kao gorivo, oslobađajući elektrone u tom procesu. Shevanella oneidensis može uzeti elektrone nastale sopstvenim unutrašnjim metabolizmom i donirati ih spoljašnjem katalizatoru.
Bren predviđa da bi u budućnosti individualni domovi potencijalno mogli da imaju bačve i podzemne rezervoare kako bi iskoristili snagu sunca za proizvodnju i skladištenje malih serija vodonika, omogućavajući ljudima da napajaju svoje domove i automobile jeftinim gorivom sa čistim sagorevanjem. Bren napominje da trenutno postoje vozovi, autobusi i automobili na pogon vodoničnim gorivnim ćelijama, ali skoro sav vodonik koji je dostupan za napajanje ovih sistema dolazi iz fosilnih goriva.
„Tehnologija postoji“, kaže ona, „ali sve dok vodonik ne dođe iz vode u reakciji koju pokreće svetlost — bez korišćenja fosilnih goriva — ona zapravo ne pomaže životnoj sredini“.
