Bázeli kémikusok olyan molekulát fejlesztettek ki, amely képes a napfényt tárolni – ez egy lépés a működő fotoszintézis és a klímasemleges üzemanyagok felé.
Évmilliárdok óta a növények olyan folyamatot hajtanak végre, amelyet az emberek eddig nem tudtak nagy léptékben utánozni: a napfényt kémiai energiává alakítják. Ennek alapja a fotoszintézis. A levelek befogják a fényt, apró elektronokat mozgatnak, és azokból cukrot építenek fel. Az állatok és az emberek ebből nyerik az energiát – így zárul a körforgás. Sok kutató arról álmodozik, hogy ezt a folyamatot technikailag is hasznosíthatóvá tegyék. Céljuk: klímasemleges üzemanyagok, mint a hidrogén, a metanol vagy a szintetikus benzin. Egy akadály azonban különösen makacsnak bizonyult – több elektron egyidejű tárolása egy molekulában. Most a Bázeli Egyetem egy kutatócsoportja fontos közbenső lépést tett előre.
Egy molekula, mint egy mini napelem
Oliver Wenger, bázeli kémiaprofesszor, és doktorandusza, Mathis Brändlin a Nature Chemistry folyóiratban egy újszerű molekuláról számolnak be. Ez a molekula két pozitív és két negatív töltést képes egyszerre tárolni – természetes fényintenzitás mellett. A molekula öt részből áll. Kettő közülük elektronokat ad le, kettő pedig felveszi azokat. Középen egy „fényelnyelő” található, amely elnyeli a nap sugarát és elindítja az elektronátvitelt. Az első fényvillanás egy pozitív és egy negatív töltést hoz létre. Ezek a töltések a molekula végeihez vándorolnak, és ott külön maradnak. A második fényvillanás megismétli a folyamatot. Így a molekula összesen négy töltést tárol – mint egy kis molekula méretű napelem. „Ezzel a fokozatos gerjesztéssel lényegesen gyengébb fény is felhasználható. Ezzel már közelítünk a napfény intenzitásához” – magyarázza Brändlin. Döntő fontosságú, hogy a töltések elég hosszú ideig stabilak maradjanak ahhoz, hogy további reakciókhoz felhasználhatók legyenek.
Miért döntő fontosságúak a többszörös töltések?
A természetben a fotoszintézis csak azért lehetséges, mert egyszerre több elektron is elmozdul. Csak így alakulhatnak ki komplex energiahordozók, például cukor a vízből és a CO₂-ból. A technikai rendszerek eddig többnyire csak egyetlen elektront tudtak elválasztani. Ez azonban nem elegendő a hidrogéntermeléshez vagy a CO₂-csökkentéshez. Gyakran előfordul, hogy a molekula azonnal visszareagál, és a nyert energia elveszik. A bázeli molekula bizonyítja, hogy több elektron stabil tárolása is lehetséges. Ezzel megnyílik az út olyan reakciók előtt, mint a víz hidrogénre és oxigénre történő bontása.
Más módszerek a mesterséges fotoszintézishez
A bázeli kutatások számos más kezdeményezéshez csatlakoznak, amelyek célja a napenergia közvetlen kémiai energiává történő átalakítása. Vízhasítási katalizátorok: Számos kutatócsoport dolgozik olyan fémoxidokkal vagy kobaltalapú anyagokkal, amelyek hatékonyan képesek a vizet oxigénre és hidrogénre bontani. De ezek gyakran nagy fényintenzitást igényelnek, vagy gyorsan lebomlanak. CO₂-átalakítás: Más csoportok a szén-dioxid közvetlen metanolra vagy szén-monoxidra történő átalakítására törekednek. Itt a nehézség abban rejlik, hogy pontosan a szükséges energiát kell biztosítani, és el kell kerülni a nem kívánt melléktermékeket. Biohibrid rendszerek: Egyes kutatási projektek baktériumokat kombinálnak mesterséges alkatrészekkel. Így a mikrobák a befogott fényt használják fel üzemanyagok előállítására. Ezek a megközelítések azonban nehezen skálázhatók. Mindezeknek az ötleteknek közös problematikus vonása, hogy több elektron egyidejű kezelésével és stabil rendszerben való tárolásával szembesülnek. Pontosan itt tudna a bázeli molekula hiányt pótolni.
Reményteli, de még nem kész rendszer
„Meghatároztunk és megvalósítottunk egy fontos puzzle-darabot” – hangsúlyozza Wenger. De ez még nem egy teljesen működőképes mesterséges fotoszintézis-rendszer. Még hiányzik az a lépés, hogy a tárolt töltéseket célzottan vegyi reakciókhoz, például hidrogéntermeléshez használják fel. Az is nyitott kérdés, hogy a molekula hogyan integrálható nagyobb reaktorokba. Ennek ellenére a felfedezés értékes: azt mutatja, hogy a komplex töltésszétválasztás nemcsak a növények levélzöldjében működik, hanem a testreszabott molekulákban is.
Úton a klímasemleges üzemanyagok felé
A cél egyértelmű: olyan napenergia-alapú üzemanyagok, amelyek égésük során csak annyi CO₂-t bocsátanak ki, amennyit korábban megkötöttek. Ezzel energiát lehetne tárolni, szállítani és a mindennapi életben felhasználni további kibocsátás nélkül. A bázeli kémikusok bebizonyították, hogy egy döntő lépés lehetséges ezen az úton. A technológia még gyerekcipőben jár, de minden új molekula egy lépéssel közelebb visz a célhoz: a napfény tárolásához úgy, hogy abból klímasemleges üzemanyagot állítsanak elő.
