Bacteriën bootsen bladeren na
Om klimaatverandering tegen te gaan moeten we van fossiele brandstoffen af. Als we CO2 kunnen omzetten in brandstof, maken we een dubbelslag. Daarom proberen onderzoekers fotosynthese na te bootsen met bacteriën.
Rijd jij al elektrisch? Steeds meer mensen stappen over op elektrische auto’s om het gebruik van fossiele brandstoffen en daarmee de uitstoot van CO2 te verminderen. Maar als iedereen nu overstapt op elektrisch rijden, hebben we een ander probleem. Want waar halen we al die extra stroom vandaan?
Zou het niet mooi zijn als we fossiele brandstoffen kunnen vervangen door CO2 te hergebruiken? Dan maken we een dubbelslag. In de toekomst kan dit misschien door fotosynthese na te doen en zo biobrandstof te maken. “Het doel is om CO2 uit de lucht met behulp van licht op een duurzame manier om te zetten in mierenzuur, koolwaterstoffen en andere klimaatneutrale brandstoffen’’, vat biofysisch chemicus Lars Jeuken van de Universiteit Leiden samen.
Sterk startpunt
Fotosynthese is een proces waarbij planten en algen met zonlicht CO2 en water omzetten in suikers en zuurstof. Er zijn verschillende manieren om dit na te bootsen in het lab. “Bij kunstmatige fotosynthese gebruik je alleen chemische componenten, terwijl bij semi-kunstmatige fotosynthese ook bepaalde onderdelen uit de natuur ingezet worden’’, legt Jeuken uit. Dat kunnen reactieversnellers (katalysatoren) zijn of hele organismen, zoals bacteriën. “Kijk, in sommige reacties is de natuur gewoon heel goed. Daar kun je als wetenschapper veel profijt van hebben’’, zegt Jeuken, die zelf onderzoek doet naar semi-kunstmatige fotosynthese.
Huub de Groot, hoogleraar Biofysische Organische Chemie en voormalig directeur van het project BioSolar Cells, is het daarmee eens. “Wij hebben niet de luxe om miljarden jaren aan evolutie na te doen in het lab. Als je een systeem uit de biologie neemt en het vervolgens aanpast, bijvoorbeeld met genetische modificatie, kun je als onderzoeker gebruikmaken van de kennis die de natuur in miljarden jaren heeft verzameld. Je hebt dan een sterk startpunt waarmee je verder kunt.’’
Kwantumprocessen in planten
Planten zijn er bijzonder goed in om lichtenergie te absorberen en door te geven binnen de verschillende onderdelen van hun cellen voor fotosynthese. Onze zonnepanelen kunnen daar nog lang niet aan tippen. De grote vraag is dus: hoe krijgen planten dit voor elkaar? Met dit vraagstuk worstelen wetenschappers al jaren. De indrukwekkende efficiëntie waarmee planten aangeslagen elektronen doorgeven zonder elektrische lading te verliezen, is namelijk niet te verklaren met principes uit de klassieke chemie. Dus is er iets anders aan de hand.
Nu zijn er wetenschappers, waaronder hoogleraar Biofysische Organische Chemie Huub de Groot, die bewijzen gevonden hebben dat dit ‘iets’ kwantumprocessen zijn. Een wilde theorie, want kwantumprocessen zijn tot nu toe alleen onder hele specifieke omstandigheden waargenomen. Het idee dat planten die gebruiken om het interne verlies van elektrische ladingen te beperken en reacties van suikers en zuurstof terug naar CO2 en water te voorkomen, is nieuw. “Om de efficiëntie van kunstmatige en semi-kunstmatige fotosynthese te verbeteren, is het naar mijn idee cruciaal om de kwantumprocessen die bij fotosynthese komen kijken beter te begrijpen en onder controle te krijgen’”, zegt De Groot, die hier met zijn team onderzoek naar doet.
Nieuwsgierig naar hoe planten kwantumprocessen mogelijk gebruiken bij fotosynthese? In deze (Engelstalige) video wordt dit haarfijn uitgelegd.
Biohybriden
Waar De Groot planten als uitgangspunt gebruikt, gooit Jeuken de boel over een andere boeg. Met zijn team wil hij genetisch gemodificeerde bacteriën fotosynthetiserend maken. Hoe? Door ze uit te rusten met halfgeleidende nanodeeltjes die als kleine zonnepanelen functioneren. “Eerder onderzoek heeft laten zien dat je daadwerkelijk energie kunt opwekken met deze zogenoemde biohybriden, maar de efficiëntie is nog heel laag. Wij willen de energie-uitwisseling tussen de bacteriën en nanodeeltjes beter begrijpen, zodat we semi-kunstmatige fotosynthese in de toekomst efficiënter kunnen maken.’’
Een van de problemen waar de onderzoekers op dit moment tegenaan lopen, is dat de aangeslagen elektronen uit het zonlicht wel bij de bacteriën terechtkomen, maar dat ze vervolgens vaak terugvallen naar de nanodeeltjes. Jeuken: “Nadat aangeslagen elektronen van de nanodeeltjes zijn overgedragen aan bacteriën, moeten ze razendsnel gebruikt worden om terugvallen te voorkomen. Dit proces is nog lang niet snel genoeg en dus gaat er veel lichtenergie verloren.’’
Toekomstmuziek
Onderzoekers van de U.S. Department of Energy werken aan kunstmatige fotosynthese.
Ook bij kunstmatige fotosynthese valt nog veel winst te behalen. “Op dit moment leveren kunstmatige en semi-kunstmatige fotosynthese erg weinig op en kost het vooral heel veel geld. Het onderzoek staat echt nog in de kinderschoenen en we lopen tegen veel problemen aan’’, zegt Jeuken. Hij vermoedt dat we pas over tien jaar goed kunnen inschatten of één van deze technieken ooit economisch rendabel kan worden. Toch is namaak-fotosynthese het onderzoeken waard, vinden Jeuken en De Groot. De Groot: “We moeten hoe dan ook van die fossiele brandstoffen af en daarnaast is er geen enkele andere afzetmarkt die zoveel CO2 kan benutten als brandstof. De potentiële impact op de energievoorziening is enorm.’’
Het maken van brandstoffen met (semi-)kunstmatige fotosynthese is dus veelbelovend, maar we zijn er nog niet. Waarschijnlijk gaat het nog wel een paar decennia duren voor we in auto’s rondrijden op brandstof verkregen uit nagebootste fotosynthese.
Biomassa als brandstof
Op zich is brandstof maken met behulp van fotosynthese niets nieuws. Er zijn genoeg biobrandstoffen op de markt die zijn gemaakt van plantaardig materiaal, zoals palmolie, koolzaad, suikerriet en maïs. Het grote voordeel van biobrandstoffen is dat ze goedkoop zijn en dat er bij de verbranding alleen CO2 vrijkomt die de planten eerst zelf uit de lucht hebben gefilterd. Ideaal toch? Nou nee. Het produceren van biomassa kost relatief veel energie en daarnaast neemt het kostbare landbouwgrond in beslag. Opschalen gaat daardoor niet en daarom is slechts tien procent van onze energievoorziening afkomstig uit biomassa
