Proces vypůjčený od řas by mohl napomoci vývoji umělé fotosyntézy

- Technologie autor: Ladislav Loukota

Energetická krize lidské civilizace působí v řadě ohledů paradoxně. Nejenže pod našima nohama rotují obří kvanta rozžhavené horniny, ale Země navíc obíhá kolem 4,6 miliardy let explodující koule horkého plazmatu, které říkáme Slunce. I přesto máme problém z obou těchto zdrojů smysluplně získat dost energie, a jsme tak závislí hlavně na fosilním palivu vzniklém z předešlých mrtvých obyvatel planety. Na Zemi však rozhodně existuje jeden druh, který "solární energii" ke svému chodu majoritně využívá – jde o rostliny závislé na fotosyntéze. Nová studie Cambridgské univerzity přispěla k tomu, abychom jejich metodu jednou mohli začít využívat v energetice i my.

Fotosyntézu snad bude jednou možné spouštět uměle. Ilustrační snímek

Fotosyntézu snad bude jednou možné spouštět uměle. Ilustrační snímek,zdroj: ThinkStock

V "běžné" fotosyntéze, kterou dnes a denně provádějí rostliny kolem nás a která tvoří doslova základ potravního řetězce, dochází ke konverzi slunečního záření, vody a oxidu uhličitého na cukry a kyslík. Fotosyntéza je jednou z nejvýznamnějších chemických reakcí na planetě – bez ní by rostliny neměly živiny a živočichové zase kyslík. I proto celý složitý proces již po generace inspiruje vědce ke snaze jej napodobit.

V laboratoři se vědcům již dávno podařilo nejen emulovat, ale dokonce i zvýšit efektivitu procesů umělé fotosyntézy až pětinásobně. Přírodní fotosyntéza totiž není zrovna nejdivočejší zdroj energie – konvertuje jenom jedno až dvě procenta z původního zdroje. Rostliny totiž v zásadě více energie ani nepotřebují a jejich schopnost pilovat efektivitu ani není nejvyšší.

Přesto průmyslová fotosyntéza díru do světa neudělala – její procesy totiž spoléhaly na přítomnost drahého a/nebo toxického chemického katalyzátoru, který situaci neulehčuje. Pokud bychom však nalezli nějaký způsob, jak ho obejít, mohla by umělá fotosyntéza znamenat výrazný aplikační průlom obnovitelné energie.

Hlavní problém obnovitelných zdrojů dnes totiž spočívá zejména v nezbytnosti chytrých rozvodných sítí a masivních baterií. Když slunce nesvítí a vítr nefouká, pokles produkce elektřiny hrozí kolapsem sítě. A naopak, velká část energie je využívána v noci, kdy je užitek z solárních panelů poněkud žalostný, je ta třeba skladovat denní zisk v drahých bateriích.

Umělá fotosyntéza by celý tento problém vyřešila. Jejím produktem je totiž tekuté palivo, které umíme velmi snadno a velmi levně skladovat již po celé století. Nakolik by jeho využívání bylo ekologické, je na jinou debatu, kterou bude mít smysl řešit nejspíše až poté, co bude známý definitivní využívaný proces.

Napůl jako v přírodě

A jeho hledání stále pokračuje. Cambridgský tým se nedávno ve snaze o náhradu chemického katalyzátoru zaměřil na přirozené kapacity rostlin, a přišel se zajímavým přístupem k tzv. polo-umělé fotosyntéze.

Vědci v zásadě využili světelné záření k rozložení vody na vodík a kyslík, to celé za použití kombinace jak biologických, tak lidmi vyvinutých postupů. Evoluce totiž naznačuje, že rostliny mohly mít v minulosti k dispozici lepší a efektivnější nástroje k realizování fotosyntézy, ale kvůli absenci potřeby z nich čerpat (či jiným komplikacím) byl rozvoj takových genů potlačen. Cambridgský tým však úspěšně znovu aktivoval proces odpovědný za tvorbu enzymu hydrogenázy, kterým kdysi řasy dovedly katalyzovat molekulární vodík.

Fotoelektrochemický článek

Fotoelektrochemický článek,zdroj:Cambridge University

Hydrogenázu následně využili v roli katody a zapojili do synteticko-biologického systému spolu s fotoanodou z oxidu titaničitého. Podařilo se jim tak vyvinout foto-elektro-chemický systém kombinující organické i anorganické procesy, který by mohl sloužit jako velmi, velmi základní prototyp budoucího zdroje polo-umělé průmyslové fotosyntézy.

"Hydrogenáza je enzym přítomný v řasách, který je schopen redukovat protony na vodík. Během evoluce byl tento proces deaktivován, protože nebyl nutný k přežití řas, ale úspěšně se nám podařilo obejít nečinnost, abychom dosáhli reakce, kterou jsme chtěli - rozdělení vody na vodík a kyslík," sdělila hlavní autorka práce Katarzyna Sokolová.

Neříkej hop, dokud nepřeskočíš

Nakolik může práce z Cambridge skutečně vést k průmyslové aplikaci polo-umělé fotosyntézy? Stručně řečeno: je to zajímavý krok kupředu, ale nikoliv stříbrná kulka v arzenálu obnovitelné energie. Efektivita celé polo-umělé fotosyntézy je stále velmi malá, proces je prozatím velmi komplikovaný a bude třeba ještě hodně replikace a zefektivňování, než bude možné o projektu Sokolové vůbec jen uvažovat jako o rozumné formě pro zisk energie. Může jít o kýžený průlom, ale také nemusí. Význam práce ukáže až čas.

Fotosyntéza sice dovede umně generovat paliva "ze vzduchu", což je skutečně atraktivní, ale nesmíme zapomínat, že nikoliv nadarmo ji (čest několika výjimkám) používají jenom statické rostliny, nikoliv mobilní živočichové. Zisk energie z ní zkrátka není zrovna výrazný. My však chceme na získaný vodík jezdit auty a pohánět města, což si žádá vyšší kvanta paliva.

Ani od polo-umělé fotosyntézy nelze očekávat zázraky. Zisk z ní bude i v nejlepším možném případě poměrně malý, a průmyslová aplikace bude zřejmě vyžadovat velké plochy spolu s levnou metodou dané chemické reakce. Tedy stejně jako třeba u lesů v přírodě.

Pokrok je však jenom zřídkakdy skokový a většinou staví na celé řadě menších krůčků. Práce Sokolové se nakonec může vyjevit právě jedním z nich.

Cambridgská studie byla publikována v Nature Energy

Tagy: energetika elektrická energie věda a poznání