Solbränslen som genereras av naturen

Tack vare nya insikter om detaljerna i fotosyntesens vattendelning förbättras utsikterna för utveckling av rena bränslen baserade på vatten och solljus

Samhällets energiförsörjningsproblem skulle kunna lösas i framtiden med hjälp av en modell som hämtas från naturen. Under fotosyntesen producerar växter, alger och vissa arter av bakterier socker och andra energirika ämnen (dvs. bränslen) med hjälp av solenergi. En grupp som leds av forskare från Max Planck-institutet för kemisk energiomvandling i Mülheim an der Ruhr utvecklar för närvarande experimentella metoder för att ta reda på hur denna process sker i naturen. Forskarna undersöker en särskilt viktig kofaktor som är involverad i fotosyntesen, ett mangan-kalciumkomplex, som använder solenergi för att dela upp vatten till molekylärt syre. De har fastställt den exakta strukturen hos detta komplex i ett avgörande skede av den kemiska reaktionen. Detta har lett till ett detaljerat förslag om hur molekylärt syre, O2, bildas vid detta metallkomplex. Genom dessa nya insikter i fotosyntesen har forskarna gett en plan för syntetiska system som skulle kunna lagra solljusenergi i kemiska energibärare.

I över tre miljarder år har naturen använt solljus som sin primära energikälla i fotosyntesen. Under denna process använder växter, alger och cyanobakterier (blågrönalger) solljuset för att dela vatten och producera energirika kemiska föreningar från koldioxid (CO2). Slutprodukten är kolhydrater som i naturen fungerar som solbränsle i den levande cellen. Även om de grundläggande reaktionerna i fotosyntesen har varit kända länge har forskare från Max Planck-institutet för kemisk energiomvandling i Mülheim an der Ruhr och Commissariat à l’Énergie Atomique (CEA) i Saclay, Frankrike, nu lyckats förklara viktiga detaljer i den ljusinducerade vattendelningsprocessen. Därmed har de förfinat den vetenskapliga grunden för framställning av miljövänliga, billiga solbränslen genom artificiell fotosyntes med hjälp av solljus och vatten, en utveckling som skulle kunna göra det möjligt för samhället att upphöra med sitt beroende av fossila bränslen som olja, kol och naturgas.

En katalysator för vattenspjälkning

Ljusinducerad katalytisk vattenspjälkning sker vid ett metallkomplex som är inbäddat i ett stort membranprotein (fotosystem II). Detta komplex består av fyra manganatomer (Mn) och en kalciumatom (Ca), som hålls samman genom ett nätverk av syrebroar (se bild). Detta vattenoxiderande eller syreutvecklande komplex genomgår en komplicerad cykel som frigör elektroner och protoner, alltså i slutändan väte och molekylärt syre.

I en artikel som publicerades denna vecka i tidskriften Science presenterar den tysk-franska forskargruppen strukturen hos detta mangan-kalciumkomplex direkt före produktionen av syre. Denna inblick i ett viktigt skede av växternas fotosyntes är mycket viktig: den ger en mer detaljerad förståelse av den mekanism som är involverad i fotosyntesen och kommer att möjliggöra utveckling av syntetiska system för ljusinducerad vattenspjälkning baserat på denna modell.

Studien är resultatet av ett nära samarbete mellan avdelningarna för biofysikalisk kemi och molekylärteori vid Max Planck-institutet för kemisk energiomvandling under ledning av Wolfgang Lubitz och Frank Neese. Inom dessa avdelningar har Nicholas Cox och Dimitrios Pantazis samlat ett tvärvetenskapligt team som syftar till att få en bättre förståelse för de molekylära detaljerna i vattendelning i naturen.

Tre utmaningar i forskningen om fotosystem II

Den första utmaningen som forskarna ställdes inför gällde utvinning och rening av fotosystem II med ett helt intakt vattenspaltningskomplex från den ursprungliga organismen, en termofil cyanobakterie, som finns i heta källor och vulkaner i Japan och är mycket robust. För att uppfylla de mycket stränga kraven på preparatets kvalitet var forskarna i Saclay tvungna att genomföra flera års utvecklingsarbete i samarbete med forskare från Japan.

Den andra utmaningen som forskargruppen ställdes inför gällde karakteriseringen av mangankomplexet i fotosystem II under de olika stegen av vattenspjälkningen. Forskarna från avdelningen för biofysikalisk kemi vid Max Planck-institutet i Mülheim övervann detta hinder med hjälp av elektronparamagnetisk resonans (EPR). Denna teknik gör det möjligt att visualisera elektronernas fördelning i en molekyl eller ett metallkomplex och ger på så sätt en djupgående inblick i de enskilda stegen i vattenspaltningen. ”Dessa mätningar genererade ny information och gjorde det möjligt att lösa problem med detaljerad analys av molekylära strukturer i reaktionscykeln som inte är tillgängliga med andra metoder”, säger Alain Boussac från CEA Saclay.

Den tredje utmaningen bestod slutligen i att använda den erhållna informationen för att ta fram en fullständig strukturell modell av biokatalysatorn. De beräkningar som var nödvändiga för denna process underlättades med hjälp av nya teoretiska metoder och superdatorerna vid avdelningen för molekylär teori vid Max Planck-institutet. På detta sätt lyckades forskarna visa att under den sena fasen av reaktionscykeln binder en andra vattenmolekyl intill en aktiv syreatom i komplexet och frigör en proton. Detta leder till att O-O-bindningen bildas i nästa steg.

Bränsle från solljus – att kopiera naturen

Tack vare denna avkodning av strukturen och funktionen hos den vattenklyvande katalysatorn i fotosystem II på atomnivå är en förklaring av mekanismen för vattenklyvning nu inom räckhåll. Denna kunskap gör det möjligt att identifiera viktiga kriterier för utformningen av liknande syntetiska katalysatorer som delar vatten med hjälp av miljövänliga, billiga och lätt tillgängliga element. För närvarande används ofta dyrt platina och andra sällsynta metaller eller metallkomplex för detta ändamål. Detta gör storskalig produktion av förnybara energibärare (bränslen) som väte mycket dyr, eller till och med omöjlig.

Med hjälp av bioinspirerade katalysatorer skulle väte eller ett annat solbränsle kunna produceras billigt genom att kombinera solenergianordningar med vattenspaltningskatalysatorer för att generera solbränslen i stället för elektricitet. Detta skulle göra det möjligt för energisektorn att övervinna de största problemen med solenergi: solljuset är inte tillgängligt dygnet runt som energikälla, och elektricitet är inte särskilt väl lämpad för att driva motorfordon. Däremot möjliggör solbränslekonceptet en direkt lagring av solenergi i kemiska föreningar och därmed användning av denna energi när som helst och på vilken plats som helst.

”Syntetiska solbränslen öppnar omfattande möjligheter för förnybar energiteknik, särskilt för transport- och infrastruktursektorerna, som fortfarande är beroende av fossila bränslen”, säger professor Wolfgang Lubitz, föreståndare vid Max Planck-institutet för kemisk energiomvandling. ”En effektiv ljusdriven katalysator för vattenspjälkning baserad på vanliga metaller som mangan skulle innebära ett enormt framsteg på detta område. Den insikt som vi har fått i naturens vattenspaltningsenzym genom denna forskning har lagt grunden för en sådan utveckling.”

ES/PH