Combustibili solari așa cum sunt generați de natură

Grație noilor informații despre detaliile descompunerii apei în fotosinteză, perspectivele de dezvoltare a combustibililor curați pe bază de apă și lumină solară se îmbunătățesc

Problemele de aprovizionare cu energie ale societății ar putea fi rezolvate în viitor folosind un model adoptat din natură. În timpul fotosintezei, plantele, algele și unele specii de bacterii produc zaharuri și alte substanțe bogate în energie (de exemplu, combustibili) folosind energia solară. O echipă condusă de cercetători de la Institutul Max Planck pentru conversia chimică a energiei din Mülheim an der Ruhr dezvoltă în prezent metode experimentale pentru a stabili cum are loc acest proces în natură. Oamenii de știință investighează un cofactor deosebit de important implicat în fotosinteză, un complex mangan-calciu, care utilizează energia solară pentru a descompune apa în oxigen molecular. Ei au determinat structura exactă a acestui complex într-o etapă crucială a acestei reacții chimice. Acest lucru a dus la o sugestie detaliată cu privire la modul în care oxigenul molecular, O2, se formează la acest complex metalic. Prin aceste noi informații despre fotosinteză, oamenii de știință au oferit un plan pentru sisteme sintetice care ar putea stoca energia luminii solare în purtători chimici de energie.

De peste trei miliarde de ani, natura folosește lumina solară ca sursă primară de energie în fotosinteză. În cursul acestui proces, plantele, algele și cianobacteriile (algele albastre-verzi) folosesc lumina solară pentru a scinda apa și a produce compuși chimici bogați în energie din dioxid de carbon (CO2). Produsul final este reprezentat de carbohidrați care, în natură, acționează ca și combustibili solari în celula vie. Deși reacțiile de bază implicate în fotosinteză sunt cunoscute de mult timp, cercetătorii de la Institutul Max Planck pentru conversia energiei chimice din Mülheim an der Ruhr și de la Commissariat à l’Énergie Atomique (CEA) din Saclay, Franța, au reușit acum să explice detalii importante ale procesului de divizare a apei indus de lumină. Ca urmare, ei au rafinat baza științifică pentru generarea de combustibili solari ecologici și cu costuri reduse prin fotosinteză artificială folosind lumina soarelui și apă, o dezvoltare care ar putea permite societății să pună capăt dependenței sale de combustibilii fosili, cum ar fi petrolul, cărbunele și gazele naturale.

Un catalizator de descompunere a apei

Descompunerea catalitică a apei indusă de lumină are loc la un complex metalic care este încorporat într-o proteină membranară mare (fotosistem II). Acest complex este compus din patru atomi de mangan (Mn) și un atom de calciu (Ca), care sunt ținuți împreună printr-o rețea de punți de oxigen (vezi imaginea). Acest complex care oxidează apa sau generează oxigenul suferă un ciclu complicat care eliberează electroni și protoni, deci în cele din urmă hidrogen și oxigen molecular.

Într-un articol publicat săptămâna aceasta în revista Science, echipa de cercetători germano-francezi prezintă structura acestui complex mangan-calciu direct înainte de producerea de oxigen. Această înțelegere a unei etape cheie a fotosintezei plantelor este extrem de importantă: ea oferă o înțelegere mai detaliată a mecanismului implicat în fotosinteză și va permite dezvoltarea unor sisteme sintetice pentru scindarea apei indusă de lumină pe baza acestui model.

Studiul este rezultatul unei cooperări strânse între departamentele de chimie biofizică și de teorie moleculară de la Institutul Max Planck pentru conversia energiei chimice, sub conducerea lui Wolfgang Lubitz și Frank Neese. În cadrul acestor departamente, Nicholas Cox și Dimitrios Pantazis au reunit o echipă interdisciplinară care își propune să obțină o mai bună înțelegere a detaliilor moleculare ale scindării apei în natură.

Trei provocări ridicate de cercetarea fotosistemului II

Prima provocare cu care s-au confruntat cercetătorii a constat în extragerea și purificarea fotosistemului II cu un complex de scindare a apei complet intact din organismul original, o cianobacterie termofilă, care se găsește în izvoarele termale și vulcanii din Japonia și care este foarte robustă. Pentru a îndeplini cerințele foarte stricte în ceea ce privește calitatea preparatului, cercetătorii din Saclay au trebuit să desfășoare mai mulți ani de muncă de dezvoltare în cooperare cu cercetători din Japonia.

A doua provocare cu care s-a confruntat echipa de cercetători a vizat caracterizarea complexului de mangan din fotosistemul II în timpul diferitelor etape de scindare a apei. Cercetătorii de la Departamentul de Chimie Biofizică al Institutului Max Planck din Mülheim au depășit acest obstacol cu ajutorul rezonanței paramagnetice electronice (EPR). Această tehnică permite vizualizarea distribuției electronilor într-o moleculă sau într-un complex metalic și, astfel, oferă o perspectivă profundă asupra etapelor individuale ale scindării apei. „Aceste măsurători au generat noi informații și au permis rezolvarea unor probleme privind analiza detaliată a structurilor moleculare din ciclul de reacție care nu sunt accesibile prin alte metode”, spune Dr. Alain Boussac de la CEA Saclay.

În cele din urmă, cea de-a treia provocare a constat în utilizarea informațiilor obținute pentru a produce un model structural complet al biocatalizatorului. Calculele necesare pentru acest proces au fost facilitate cu ajutorul noilor metode teoretice și al supercalculatoarelor de la Departamentul de Teorie Moleculară al Institutului Max Planck. În acest fel, cercetătorii au reușit să demonstreze că, în timpul fazei târzii a ciclului de reacție, o a doua moleculă de apă se leagă lângă un atom de oxigen activ din complex și eliberează un proton. Acest lucru duce la formarea legăturii O-O în etapa următoare.

Combustibil din lumina soarelui – copiind natura

Grație acestei decodificări a structurii și funcției catalizatorului de descompunere a apei din fotosistemul II la nivel atomic, o explicație a mecanismului de descompunere a apei este acum la îndemână. Aceste cunoștințe permit identificarea unor criterii importante pentru proiectarea unor catalizatori sintetici similari care să scindeze apa folosind elemente ecologice, cu costuri reduse și ușor de obținut. În prezent, platina scumpă și alte metale rare sau complecși metalici sunt utilizate pe scară largă în acest scop. Acest lucru face ca producția pe scară largă de purtători de energie regenerabilă (combustibili), cum ar fi hidrogenul, să fie foarte costisitoare sau chiar imposibilă.

Cu ajutorul catalizatorilor bioinspirați, hidrogenul sau un alt combustibil solar ar putea fi produs ieftin prin combinarea dispozitivelor de energie solară cu catalizatori de scindare a apei pentru generarea de combustibili solari în loc de electricitate. Acest lucru ar permite sectorului energetic să depășească principalele probleme asociate cu energia solară: lumina soarelui nu este disponibilă 24 de ore din 24 ca sursă de energie, iar energia electrică nu este foarte potrivită pentru funcționarea autovehiculelor. În schimb, conceptul de combustibil solar permite stocarea directă a energiei solare în compuși chimici și, prin urmare, utilizarea acestei energii în orice moment și în orice loc.

„Combustibilii solari sintetici deschid o gamă largă de posibilități pentru tehnologiile de energie regenerabilă, în special pentru sectoarele transporturilor și infrastructurii, care sunt încă dependente de combustibilii fosili”, spune profesorul Wolfgang Lubitz, director la Institutul Max Planck pentru conversia chimică a energiei. „Un catalizator eficient de descompunere a apei, acționat de lumină, bazat pe metale comune, cum ar fi manganul, ar reprezenta un progres uriaș în acest sens. Cunoștințele dobândite în ceea ce privește enzima de descompunere a apei din natură prin această cercetare au pus bazele unor astfel de evoluții.”

ES/PH