Det ideala bränslet

En solig dag på campus vid University of California, Berkeley, motverkar det fridfulla prasslet av eukalyptusträd den rasande kemiska aktiviteten som sker inuti varje löv. Genom fotosyntes använder löv energin i solljus för att förvandla vatten och koldioxid till ämnen som växter behöver, och avger endast syre i processen. I ett närliggande labb bygger kemisten Peidong Yang ett konstgjort system som gör detsamma, med hjälp av uppsättningar av nanotrådar tillsammans med konstruerade bakterier. Om något sådant här någonsin skalas upp skulle det skapa en bättre version av de bränslen vi använder idag – en som inte ökar den totala mängden koldioxid i luften.

Peidong Yang

Fotosyntesen har varit mycket svår att efterlikna i labbet. På 1970-talet visade forskare vid Tokyos universitet för första gången att en soldriven enhet kunde göra vad växter gör i fotosyntesens första steg: dela upp vatten till väte och syre. Efter en första explosion av aktivitet stannade fältet. Men det har återuppstått i flera laboratorier tack vare ett förnyat fokus på energiproblemet och klimatförändringarna – och på grund av framväxten av ny teknik.

1. Denna lilla reaktor fylld med kemiska prekursorer och vatten värms upp i en ugn för att odla titandioxid nanotrådar.

2. Kiselnannotrådar odlas från gasformiga prekursorer som strömmar genom denna reaktor.

3. Silikon nanotrådar kan även odlas på större ytor som denna wafer. Den skärs i bitar som fungerar som elektroder inuti enheten.

4. Bakterier i denna inkubator kommer att sås på en elektrod för att fungera som levande katalysatorer.

Den här historien var en del av vårt januarinummer 2016

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Yangs labb håller på att förbättra en grundläggande design som utvecklades på 1970-talet vid National Renewable Energy Laboratory. Den har två ljuskänsliga elektroder belagda med en katalysator - Yang använder nickel, vilket är billigt - som tillsammans delar vatten till syre och väte. I den ursprungliga uppställningen var elektroderna platta, men Yang använder istället uppsättningar av nanotrådar gjorda av kisel och andra halvledare. Eftersom nanotrådarna har 100 gånger ytan av platta elektroder som kan passa in i samma utrymme, kan de hålla mer av katalysatorn, vilket avsevärt ökar reaktionens effektivitet.

Men att klyva vatten är den lätta halvan av fotosyntesen. Växter går längre och använder väte från vatten i reaktioner som omvandlar kol från luften till komplexa molekyler. Yang vill också göra detta. Våra flygplan och bilar drivs trots allt inte på vätgas; de behöver bensin och andra kemiskt komplexa bränslen.

5. Inuti denna enhet driver ljus en reaktion där vatten och koldioxid omvandlas till bränsle. Slang tillåter reaktionens biprodukt — rent syre — att rymma.

6 och 7. Vissa bakterier i systemet producerar metan, som kan användas direkt som bränsle; andra gör acetat, som matas till andra genetiskt modifierade bakterier för att göra bränsle och plast. Här, konstruerad E coli mata på acetat.

8. Analytiska verktyg inklusive masspektrometrar används för att verifiera att bakterierna gjort den önskade kemikalien. Än så länge är systemet lika effektivt som naturlig fotosyntes.

För att katalysera den delen av processen förlitar sig Yang på en annan teknik som inte fanns på 70-talet. Han och kollegor har visat att genetiskt modifierade bakterier inbäddade bland nanotrådarna fungerar som levande katalysatorer. De tar upp vätgassplittringen från vattnet och kombinerar det med koldioxid för att göra metan och andra kolväten som behövs för bränslen eller plast. Buggarna gör detta med naturliga enzymer som utför en rad reaktioner som kemister ännu inte har kunnat bemästra med syntetiska katalysatorer.

Yangs system matchar för närvarande effektiviteten av fotosyntes, och lagrar under 1 procent av energin som fångas från solljus i form av kemiska bindningar. Det är inte dåligt för en proof-of-concept-demonstration, men att göra den mer effektiv och därmed kostnadseffektiv kommer att vara avgörande.

Yang hoppas på att så småningom byta till syntetiska katalysatorer istället för bakterier, som är svåra att hålla vid liv. Men att helt eliminera buggarna kanske inte är nödvändigt med tanke på det akuta behovet av rena bränslen. Om det måste vara ett hybridsätt är det okej, säger han.

Dölj