Een kunstmatig blad dat sneller energie van de zon kan oogsten dan een natuurlijk blad, zou kunnen leiden tot een nieuwe generatie hernieuwbare energie en medische technologieën.

Gedurende honderden miljoenen jaren, evolutie heeft een proces verfijnd waardoor planten de energie van de zon kunnen gebruiken om koolstofdioxide en water om te zetten in de suikerachtige brandstof die ze nodig hebben om te groeien.

De elegante reeks biochemische reacties die bij dit proces betrokken zijn, zijn enkele van de fundamentele bouwstenen van het leven op deze planeet.

Maar nu hebben wetenschappers de natuur in haar eigen spel verslagen door een semi-kunstmatig blad te maken dat enkele van de door evolutie aangescherpte componenten bevat om een ​​apparaat te produceren dat tot zes keer efficiënter is.

"Wanneer de natuurlijke componenten van fotosynthese worden opgenomen in kunstmatige apparaten, deze apparaten presteren beter dan het vermogen om elektronen over te dragen in de natuurlijke omgeving, " zei Dr. Nicolas Plumeré, een chemicus aan de Ruhr-Universiteit Bochum in Duitsland.

Hij en zijn collega's, als onderdeel van het door de EU gefinancierde PHOTOTECH-project, gebruikten een eiwit dat in echte bladeren wordt gevonden en dat verantwoordelijk is voor het transport van elektronen tijdens fotosynthese om hun semi-kunstmatige blad te maken.

"Onder licht, een eiwit dat voorkomt in natuurlijke bladeren of algen kan elke seconde ongeveer 50 hoogenergetische elektronen produceren, " legt Dr Plumeré uit. "Wanneer ditzelfde eiwit wordt opgenomen in kunstmatige bladeren, tot 300 hoogenergetische elektronen worden elke seconde geproduceerd."

Dr. Plumeré hoopt dat deze aanpak uiteindelijk nieuwe, eenvoudige en goedkope zonneceltechnologieën - ook bekend als fotovoltaïsche cellen - op basis van fotosynthese, hoewel hij waarschuwt dat de technologie nog jaren verwijderd is van het vinden van commerciële toepassingen.

"Grootschalige groene fotovoltaïsche cellen kunnen eenvoudig op een muur worden geverfd om zonne-energie direct op hun gebruikspunt op te vangen, " zei hij. De technologie kan ook worden gebruikt om kleine medische apparaten van stroom te voorzien, zoals sensoren geïmplanteerd in contactlenzen om biomarkers in tranen te controleren.

Omdat het eiwit dat nodig is voor de apparaten kan worden verkregen uit algen, het kan tegen lage kosten worden geproduceerd in vergelijking met de zeldzame aardmetalen die nodig zijn voor de huidige zonnepaneelcellen.

"Deze fotosynthetische materialen kunnen op afvalwater worden gekweekt en de chemische elementen die nodig zijn voor hun assemblage zijn oneindig beschikbaar, " zei Dr Plumeré. "Als zodanig, ze openen een grote belofte voor toekomstige apparaten voor duurzame energiewinning, die zelf op een duurzame manier kunnen worden vervaardigd."

Het produceren van apparaten die op een milieuvriendelijke manier hernieuwbare energie kunnen opwekken, kan een sleutelrol spelen bij het terugdringen van de afhankelijkheid van de planeet van vervuilende fossiele brandstoffen. Maar het intermitterende karakter van dergelijke hernieuwbare energiebronnen maakt deze taak moeilijk. Hoe, bijvoorbeeld, kunnen de lichten aan blijven als zonnecellen 's nachts geen elektriciteit produceren?

water splijten

Het antwoord ligt in het opslaan van de energie die door dergelijke hernieuwbare bronnen wordt geproduceerd, hoewel tot op heden moderne batterijen en andere opslagmogelijkheden bieden hiertoe slechts een beperkte mogelijkheid. Maar wetenschappers denken dat fotosynthese ook hier een oplossing kan bieden.

"De meest effectieve manier om hernieuwbare energie op te slaan, is door een brandstof te produceren zoals waterstof, " zei dr. Vincent Artero, een chemicus aan de Grenoble Alpes University en CEA-Grenoble, Frankrijk. "Aangezien zonne-energie de meest voorkomende hernieuwbare energie is, waarom geen proces ontwikkelen dat zonlicht direct opvangt en omzet in brandstof?"

Dr. Artero en zijn team hebben het metabolisme gekopieerd van sommige algen die zonne-energie gebruiken om water te splitsen in waterstof en zuurstof. Gefinancierd door de Europese Onderzoeksraad van de EU, het PhotocatH2ode-project is gericht op het incorporeren van bio-geïnspireerde kleurstoffen en katalysatoren in een foto-elektrochemische cel, het produceren van een soort kunstmatig blad dat waterstof kan genereren uit zonlicht en water.

"Onze aanpak maakt gebruik van moleculaire componenten, zoals kleurstoffen, om zonlicht en katalysatoren te absorberen om waterstofproductie te bereiken, geïmmobiliseerd op transparante elektroden", aldus dr. Artero. "Dit werk opent nieuwe perspectieven voor de ontwikkeling van nieuwe technologieën voor de productie van waterstof."

De natuur nabootsen

Maar begrijpen hoe algen, planten en bacteriën kunnen lichtenergie op moleculair niveau omzetten, wat kan leiden tot nog efficiëntere systemen voor het oogsten van kunstlicht. Een team dat aan het door de EU gefinancierde ENLIGHT-project werkt, ontwikkelt nieuwe theoretische en computationele modellen om te ontrafelen hoe deze complexe maar unieke systemen werken.

"In deze organismen licht oogsten is de eerste, fundamentele stap van fotosynthese, " zei professor Benedetta Mennucci, een chemicus aan de Universiteit van Pisa in Italië, die ENLIGHT leidt. "De ontwikkelde modellen kunnen nu worden toegepast op verschillende soorten organismen om te begrijpen of de natuur bepaalde specifieke kenmerken heeft geoptimaliseerd - die voor alle systemen gelden - die kunnen worden nagebootst in kunstmatige."

Dit werk zou van cruciaal belang kunnen zijn bij het aansturen van een opkomend onderzoeksgebied:door zonne-energie aangedreven chemie. Dit heeft tot doel de natuur na te bootsen door zonne-energie direct te gebruiken voor de productie van brandstoffen, chemicaliën en materialen.

"We zouden al onze huidige methoden voor het produceren van brandstoffen en basischemicaliën kunnen vervangen door nieuwe die water gebruiken, stikstof en kooldioxide als uitgangsmaterialen, samen met licht of hernieuwbare elektriciteit als energetische input, " zei Dr. Artero. "Dit zou een revolutie zijn voor Europa."