Ondanks verwoede pogingen om het anders te doen, blijft de wereld afhankelijk van fossiele brandstoffen. Kan kunstmatige fotosynthese uitkomst bieden? Niet direct, maar de technologie is veelbelovend. 

We moeten van onze fossiele brandstoffen af, zoveel is duidelijk. Maar dat is makkelijker gezegd dan gedaan. “De grootste uitdaging is dat zelfs de natuur geen oplossing heeft voor de grote hoeveelheid energie die we verbruiken”, zegt scheikundige Wenbin Lin van de University of Chicago. Ook de vernuftige fotosynthese is niet goed genoeg, zegt hij. “We moeten het beter doen dan de natuur en dat is eng.”

Tien keer zo productief
Een mogelijke oplossing die wetenschappers al enige tijd onderzoeken is kunstmatige fotosynthese. Daarbij wordt het systeem dat planten gebruiken voor hun energievoorziening zo aangepast dat we er onze eigen soorten brandstof van kunnen maken. Maar de chemische uitrusting van een enkel blad is ongelooflijk complex en bepaald niet makkelijk te veranderen voor onze eigen doeleinden.
Toch is het onderzoekers gelukt om iets dergelijks voor elkaar te krijgen.

Ze zijn erin geslaagd om een nieuw innovatief systeem te ontwikkelen voor kunstmatige fotosynthese dat tien keer zo productief is als eerdere kunstmatige systemen. In tegenstelling tot de normale fotosynthese waarbij planten CO2 omzetten in glucose met behulp van zonlicht, kan de kunstmatige fotosynthese brandstoffen produceren zoals ethanol en methaan.

Hoewel er nog een lange weg te gaan is voor je je auto op deze manier vol kunt tanken, is de methode wel een belangrijke nieuwe richting van onderzoek en kan hij mogelijk op korte termijn al worden gebruikt om andere chemische stoffen te produceren. “Dit is een enorme verbetering van bestaande systemen, maar minstens even belangrijk is dat we in staat waren om een heel heldere uitleg uit te werken van hoe dit kunstmatige systeem op een moleculair niveau werkt. Dat is nog niet eerder gedaan”, aldus professor Lin.

Ethanol of methaan
“Zonder natuurlijke fotosynthese waren we hier niet. Het zorgt voor de zuurstof die we inademen op aarde en het voedsel dat we eten”, vervolgt Lin. “Maar het zal nooit efficiënt genoeg zijn om de brandstof te leveren om in onze auto’s te rijden, dus we hebben iets anders nodig.”

Het probleem met fotosynthese is dat het is ontwikkeld om koolhydraten te produceren, die geweldig zijn om onszelf van brandstof te voorzien, maar niet onze auto’s, die een veel geconcentreerdere vorm van energie nodig hebben. Dus onderzoekers, die werken aan alternatieven voor fossiele brandstoffen, moeten het proces veranderen om brandstoffen met een grotere energiedichtheid te ontwikkelen, zoals ethanol of methaan.

De efficiëntie van de natuur
In de natuur wordt fotosynthese uitgevoerd door verschillende complexe verbindingen van eiwitten en pigmenten. Ze nemen water en CO2 op, splitsen de moleculen en herschikken de atomen om koolhydraten te maken: een lange string van koolstof-, waterstof- en zuurstofatomen. Wetenschappers moeten deze keten van reacties echter aanpassen om zo een andere verbinding tot stand te brengen met enkel waterstof rond een koolstofkern, CH4 genaamd, beter bekend als methaan.

Dit herschikken van moleculen is veel moeilijker dan het klinkt. Onderzoekers zijn er al decennia mee bezig om dichterbij de efficiëntie van de natuur te komen. Lin en zijn team besloten iets toe te voegen aan de kunstmatige fotosynthese wat tot nu toe nog niet is geprobeerd: aminozuren.

De hulp van aminozuren
De onderzoekers begonnen met een zogenoemd metaal-organisch raamwerk of MOF, een groep onderdelen die bestaat uit metaalionen, die bij elkaar worden gehouden door organische linkmoleculen (liganden). Ze ontwierpen de MOF’s als een enkele laag om zo het maximale oppervlak te creëren voor chemische reacties en dompelden dit alles onder in een oplossing, die onder meer een kobaltverbinding bevat om elektronen te vervoeren. Tenslotte voegden ze aminozuren toe aan de MOF’s en experimenteerden ermee om te achterhalen welke het beste werkte.

De onderzoekers slaagden erin om verbeteringen aan te brengen aan beide helften van de reactie: het proces dat water splitst en het proces waarbij elektronen en protonen worden toegevoegd aan koolstofdioxide. In beide gevallen hielpen de aminozuren om de reactie efficiënter te laten verlopen.

Opschaling nodig
Maar zelfs met deze fors verbeterde methode heeft kunstmatige fotosynthese nog een lange weg te gaan voor het genoeg brandstof kan produceren voor breed gebruik. “Als je kijkt waar we nu staan dan is een flinke opschaling nodig voordat er voldoende methaan ontstaat voor onze consumptie”, reageert Lin.

Maar gelukkig zijn er ook andere toepassingen mogelijk. De doorbraak kan eveneens worden gebruikt voor andere chemische reacties. Voor brandstof zijn grote hoeveelheden nodig om impact te maken, maar een veel kleinere hoeveelheid van sommige moleculen kan nuttig zijn voor de ontwikkeling van bepaalde medicijnen of nylons. “Zoveel van deze fundamentele processen zijn hetzelfde”, verklaart Lin. “Als je goede chemie ontwikkelt, kan het in zoveel systemen worden gebruikt.”