De ideale brandstof

Op een zonnige dag op de campus van de University of California, Berkeley, logenstraft het vredige geritsel van eucalyptusbomen de woedende chemische activiteit die in elk afzonderlijk blad plaatsvindt. Door fotosynthese gebruiken bladeren de energie in zonlicht om water en koolstofdioxide om te zetten in stoffen die planten nodig hebben, waarbij ze alleen zuurstof uitstoten. In een nabijgelegen laboratorium bouwt chemicus Peidong Yang een kunstmatig systeem dat hetzelfde doet, met behulp van arrays van nanodraden in combinatie met gemanipuleerde bacteriën. Als zoiets ooit wordt opgeschaald, zou het een betere versie opleveren van de brandstoffen die we tegenwoordig gebruiken - een die niet bijdraagt ​​​​aan de totale hoeveelheid koolstofdioxide in de lucht.

Peidong Yang

Fotosynthese was erg moeilijk te imiteren in het laboratorium. In de jaren zeventig toonden onderzoekers van de Universiteit van Tokyo voor het eerst aan dat een apparaat op zonne-energie kon doen wat planten doen in de eerste stap van de fotosynthese: water splitsen in waterstof en zuurstof. Na een aanvankelijke uitbarsting van activiteit, kwam het veld tot stilstand. Maar het is herboren in verschillende laboratoria dankzij een hernieuwde focus op het energieprobleem en klimaatverandering - en vanwege de opkomst van nieuwe technologieën.

1. Deze kleine reactor gevuld met chemische voorlopers en water wordt in een oven verwarmd om nanodraden van titaniumdioxide te laten groeien.

2. Silicium nanodraden worden gekweekt uit gasvormige voorlopers die door deze reactor stromen.

3. Silicium nanodraden kunnen ook worden gekweekt op grotere oppervlakken zoals deze wafer. Het wordt in stukken gesneden die als elektroden in het apparaat dienen.

4. Bacteriën in deze incubator worden op een elektrode gezaaid om als levende katalysatoren te fungeren.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van januari 2016

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Het laboratorium van Yang verbetert een basisontwerp dat in de jaren zeventig werd ontwikkeld in het National Renewable Energy Laboratory. Het heeft twee lichtgevoelige elektroden bedekt met een katalysator - Yang gebruikt nikkel, wat niet duur is - die samen water splitsen in zuurstof en waterstof. In de oorspronkelijke opstelling waren de elektroden plat, maar Yang gebruikt in plaats daarvan arrays van nanodraden gemaakt van silicium en andere halfgeleiders. Omdat de nanodraden 100 keer het oppervlak hebben van platte elektroden die in dezelfde ruimte zouden passen, kunnen ze meer van de katalysator vasthouden, wat de efficiëntie van de reactie aanzienlijk verhoogt.

Het splitsen van water is echter de gemakkelijke helft van fotosynthese. Planten gaan verder en gebruiken de waterstof uit water in reacties die koolstof uit de lucht omzetten in complexe moleculen. Yang wil dit ook doen. Onze vliegtuigen en auto's rijden immers niet op waterstof; ze hebben benzine en andere chemisch complexe brandstoffen nodig.

5. In dit apparaat drijft licht een reactie aan waarbij water en koolstofdioxide worden omgezet in brandstof. Tubing maakt het bijproduct van de reactie mogelijk — zuivere zuurstof — ontsnappen.

6 en 7. Sommige bacteriën in het systeem produceren methaan, dat direct als brandstof kan worden gebruikt; anderen maken acetaat, dat aan andere genetisch gemanipuleerde bacteriën wordt gevoerd om brandstoffen en kunststoffen te maken. Hier, ontworpen E coli voeden zich met acetaat.

8. Analytische instrumenten, waaronder massaspectrometers, worden gebruikt om te verifiëren dat de bacteriën de gewenste chemische stof hebben gemaakt. Tot nu toe is het systeem even efficiënt als natuurlijke fotosynthese.

Om dat deel van het proces te katalyseren, vertrouwt Yang op een andere technologie die in de jaren '70 nog niet bestond. Hij en collega's hebben aangetoond dat genetisch gemanipuleerde bacteriën, genesteld tussen de nanodraden, functioneren als levende katalysatoren. Ze nemen de waterstof die uit het water is gesplitst op en combineren het met koolstofdioxide om methaan en andere koolwaterstoffen te maken die nodig zijn voor brandstoffen of kunststoffen. De insecten doen dit met natuurlijke enzymen die een reeks reacties uitvoeren die scheikundigen nog niet onder de knie hebben met synthetische katalysatoren.

Het systeem van Yang komt momenteel overeen met de efficiëntie van fotosynthese en slaat minder dan 1 procent van de energie op die wordt opgevangen door zonlicht in de vorm van chemische bindingen. Dat is niet slecht voor een proof-of-concept-demonstratie, maar het efficiënter en dus kosteneffectiever maken is essentieel.

Yang hoopt uiteindelijk over te stappen op synthetische katalysatoren in plaats van bacteriën, die lastig in leven te houden zijn. Maar het is misschien niet nodig om de bugs volledig te elimineren, gezien de dringende behoefte aan schone brandstoffen. Als het een hybride aanpak moet zijn, mag dat, zegt hij.

zich verstoppen