Aurinkopolttoaineet luonnon tuottamina

Veden pilkkomisen yksityiskohdista fotosynteesissä saatujen uusien oivallusten ansiosta veden ja auringonvalon varaan perustuvien puhtaiden polttoaineiden kehitysnäkymät paranevat

Yhteiskunnalliset energiahuolto-ongelmat voitaisiin tulevaisuudessa ratkaista luonnosta omaksutun mallin avulla. Fotosynteesin aikana kasvit, levät ja jotkut bakteerilajit tuottavat aurinkoenergian avulla sokereita ja muita energiapitoisia aineita (eli polttoaineita). Mülheim an der Ruhrissa sijaitsevan Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion -instituutin tutkijoiden johtama ryhmä kehittää parhaillaan kokeellisia menetelmiä sen selvittämiseksi, miten tämä prosessi tapahtuu luonnossa. Tutkijat tutkivat erityisen tärkeää fotosynteesiin osallistuvaa kofaktoria, mangaani-kalsiumkompleksia, joka käyttää aurinkoenergiaa veden pilkkomiseen molekyyliseksi hapeksi. He ovat määritelleet tämän kompleksin tarkan rakenteen tämän kemiallisen reaktion ratkaisevassa vaiheessa. Tämä on johtanut yksityiskohtaiseen ehdotukseen siitä, miten molekulaarinen happi, O2, muodostuu tässä metallikompleksissa. Näillä uusilla näkemyksillä fotosynteesistä tutkijat ovat antaneet suunnitelman synteettisille järjestelmille, jotka voisivat varastoida auringonvalon energiaa kemiallisiin energiankantajiin.

Yli kolmen miljardin vuoden ajan luonto on käyttänyt auringonvaloa ensisijaisena energianlähteenään fotosynteesissä. Tämän prosessin aikana kasvit, levät ja syanobakteerit (sinilevät) käyttävät auringonvaloa veden jakamiseen ja tuottavat hiilidioksidista (CO2) runsaasti energiaa sisältäviä kemiallisia yhdisteitä. Lopputuotteena syntyy hiilihydraatteja, jotka toimivat luonnossa elävän solun auringon polttoaineina. Vaikka fotosynteesin perusreaktiot on tunnettu jo pitkään, Mülheim an der Ruhrissa sijaitsevan Max Planck -instituutin (Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion) ja Saclayssa Ranskassa sijaitsevan Commissariat à l’Énergie Atomique (CEA) -laitoksen tutkijat ovat nyt onnistuneet selittämään tärkeitä yksityiskohtia valon aiheuttamasta veden halkaisuprosessista. Näin he ovat hioneet tieteellistä perustaa ympäristöystävällisten ja edullisten aurinkopolttoaineiden tuottamiselle keinotekoisella fotosynteesillä auringonvalon ja veden avulla. Tämä kehitys voisi mahdollistaa sen, että yhteiskunta voisi lopettaa riippuvuutensa fossiilisista polttoaineista, kuten öljystä, kivihiilestä ja maakaasusta.

Veden halkaisun katalyytti

Valon indusoima katalyyttinen veden halkaisu tapahtuu metallikompleksissa, joka on sulautettu suureen membraanivalkuaisproteiiniin (fotosysteemiin II). Tämä kompleksi koostuu neljästä mangaaniatomista (Mn) ja yhdestä kalsiumatomista (Ca), jotka pidetään yhdessä happisiltojen verkoston avulla (ks. kuva). Tämä vettä hapettava tai happea tuottava kompleksi käy läpi monimutkaisen syklin, jossa vapautuu elektroneja ja protoneja, siis lopulta vetyä, ja molekulaarista happea.

Saksalais-ranskalainen tutkimusryhmä esittelee tällä viikolla Science-lehdessä julkaistussa artikkelissaan tämän mangaani-kalsium-kompleksin rakenteen suoraan ennen hapen tuottamista. Tämä oivallus kasvien fotosynteesin keskeisestä vaiheesta on erittäin merkittävä: se antaa tarkemman käsityksen fotosynteesiin osallistuvasta mekanismista ja mahdollistaa tähän malliin perustuvien synteettisten järjestelmien kehittämisen valon indusoimaa veden pilkkomista varten.

Tutkimus on tulosta tiiviistä yhteistyöstä, jonka ovat tehneet Max Planckin kemiallista energiamuunnosta tutkivan Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion -instituutin biofysikaalisen kemian ja molekulaarisen teorian osastot Wolfgang Lubitzin ja Frank Neesen johdolla. Näillä osastoilla Nicholas Cox ja Dimitrios Pantazis kokosivat tieteidenvälisen ryhmän, jonka tavoitteena on saada parempi käsitys veden halkaisun molekyylitason yksityiskohdista luonnossa.

Kolme haastetta fotosysteemi II:n tutkimuksessa

Ensimmäinen tutkijoiden kohtaama haaste koski fotosysteemi II:n uuttamista ja puhdistamista täysin ehjällä vedenhalkaisukompleksilla alkuperäisestä organismista, termofiilisestä syanobakteerista, jota esiintyy Japanin kuumissa lähteissä ja tulivuorissa ja joka on erittäin kestävä. Valmisteen laatua koskevien erittäin tiukkojen vaatimusten täyttämiseksi Saclayn tutkijoiden oli tehtävä usean vuoden kehitystyö yhteistyössä japanilaisten tutkijoiden kanssa.

Tutkimusryhmän toinen haaste koski fotosysteemi II:n mangaanikompleksin karakterisointia vedenhajautuksen eri vaiheissa. Mülheimissa sijaitsevan Max Planck -instituutin biofysikaalisen kemian osaston tutkijat voittivat tämän esteen elektroniparamagneettisen resonanssin (EPR) avulla. Tämän tekniikan avulla voidaan visualisoida elektronien jakautuminen molekyylissä tai metallikompleksissa ja saada näin syvällinen käsitys veden halkaisun yksittäisistä vaiheista. ”Nämä mittaukset tuottivat uutta tietoa ja mahdollistivat sellaisten ongelmien ratkaisemisen, jotka liittyvät molekyylirakenteiden yksityiskohtaiseen analyysiin reaktiokierrossa, johon ei päästä käsiksi muilla menetelmillä”, sanoo tohtori Alain Boussac CEA Saclaysta.

Loppujen lopuksi kolmas haaste koostui saadun tiedon käyttämisestä biokatalyytin täydellisen rakennemallin luomiseen. Tätä varten tarvittavia laskelmia helpotettiin käyttämällä uusia teoreettisia menetelmiä ja Max Planck -instituutin molekyyliteorian osaston supertietokoneita. Näin tutkijat onnistuivat osoittamaan, että reaktiosyklin loppuvaiheessa toinen vesimolekyyli sitoutuu kompleksin aktiivisen happiatomin viereen ja vapauttaa protonin. Tämä johtaa O-O-sidoksen muodostumiseen seuraavassa vaiheessa.

Polttoainetta auringonvalosta – kopioimalla luontoa

Tämän fotosysteemi II:n vettä hajottavan katalyytin rakenteen ja toiminnan atomitasolla tapahtuvan dekoodauksen ansiosta selitys veden halkaisumekanismille on nyt saavutettavissa. Tämä tieto mahdollistaa tärkeiden kriteerien määrittämisen sellaisten samankaltaisten synteettisten katalyyttien suunnittelua varten, jotka halkaisevat vettä käyttäen ympäristöystävällisiä, edullisia ja helposti saatavilla olevia alkuaineita. Tällä hetkellä tähän tarkoitukseen käytetään laajalti kallista platinaa ja muita harvinaisia metalleja tai metallikomplekseja. Tämä tekee vedyn kaltaisten uusiutuvien energiankantajien (polttoaineiden) laajamittaisesta tuotannosta hyvin kallista tai jopa mahdotonta.

Bioinspiroitujen katalyyttien avulla vetyä tai muuta aurinkoenergiaa käyttävää polttoainetta voitaisiin tuottaa halvalla yhdistämällä aurinkoenergialaitteita ja vettä halkaisevia katalyyttejä aurinkoenergiaa käyttävien polttoaineiden tuottamiseksi sähkön sijaan. Näin energia-alalla voitaisiin ratkaista aurinkoenergiaan liittyvät suurimmat ongelmat: auringonvalo ei ole käytettävissä energialähteenä ympäri vuorokauden, ja sähkö ei sovellu kovin hyvin moottoriajoneuvojen käyttämiseen. Sitä vastoin aurinkopolttoainekonsepti mahdollistaa aurinkoenergian suoran varastoinnin kemiallisiin yhdisteisiin ja siten tämän energian käytön milloin tahansa ja missä tahansa.

”Synteettiset aurinkopolttoaineet avaavat laajoja mahdollisuuksia uusiutuvien energialähteiden teknologioille, erityisesti liikenne- ja infrastruktuurisektoreilla, jotka ovat edelleen riippuvaisia fossiilisista polttoaineista”, sanoo Max Planckin kemiallisen energiamuunnosinstituutin johtaja, professori Wolfgang Lubitz. ”Tehokas valoa käyttävä veden halkaisukatalyytti, joka perustuu tavallisiin metalleihin, kuten mangaaniin, merkitsisi valtavaa edistystä tässä asiassa. Tämän tutkimuksen avulla saatu käsitys luonnon veden halkaisuentsyymistä on luonut perustan tällaiselle kehitykselle.”

ES/PH