Kan kunstig fotosyntese løse vores energiproblemer?

Gennem milliarder af år har naturen perfektioneret fotosyntesen som et greb til at bruge sollys til at omdanne vand og kuldioxid til energi – nærmere betegnet sukker - , som alle skabninger her på Jorden, lige fra bakterier til bardehvaler, kan bruge som energi til at vokse og reproducere sig selv. Til helt grundlæggende at opretholde livet.

Kunne man forestille sig, at fotosyntese kan frembringe andre energiformer end sukker? Det mener en del forskere, og derfor forskes der flere steder i verden i kunstig fotosyntese med netop det formål: at skabe nye energiformer. Det gælder også på Institut for Fysik, Kemi og Farmaci på SDU.

- Vi er dog ikke interesseret i at lave sukker. Vi er interesseret i at lave andre slags brændstof, siger kemiker Gabriel Libanio Silva Rodrigues fra instituttet.

Alternativ til benzin

Med brændstof mener han for eksempel etanol, metanol eller metan, fordi disse kan fungere som et brugbart alternativ til benzin i almindelige benzinbiler.

- Det betyder, at vi kan beholde den infrastruktur omkring brændstof, som vi har i dag – det er for eksempel tankstationer. Og dermed, at vi som samfund ikke skal ud og udvikle ny infrastruktur til nogle helt nye energiformer, pointerer han og tilføjer:

- Etanol, metanol og metan er kun tre af de mest almindelige molekyler, som vi kan producere, og de forskellige brændstoffer kan bruges til andet end biler – for eksempel også fly, skibe, i kemiindustrien osv.

Fungerer upåklageligt i naturen, men …

Men inden vi hengiver os til søde fantasier om at fylde benzintanken op med CO2 neutralt og dermed bæredygtigt brændstof skabt af sollys, CO2 fra atmosfæren og vand, træder vi lige et skridt tilbage. Vi skal se på, hvad kunstig fotosyntese helt konkret er, og vi skal høre en vurdering af, hvor langt forskningen er med at få det til at fungere.

Uden fotosyntese ville vi ikke være her på Jorden. Fotosyntesen har skabt den ilt, vi indånder, og den skaber den føde, vi spiser. Den udføres af en række komplekse enzymer, som tager vand og CO2 til sig, splitter komponenterne op og sætter dem sammen til noget nyt, nemlig sukker. Det fungerer fortrinligt, når det foregår i naturen, men når man forsøger at skabe kunstig fotosyntese i laboratoriet, møder man en lang række udfordringer.

Omkostninger er en af dem: Det er endnu ikke lykkedes nogen forskere at frembringe hverken sukker eller metan i en mængde, der batter noget, uden at det koster det hvide ud af øjnene. Faktisk er mængderne så beskedne og så omkostningstunge, at kommerciel udbredelse endnu ikke har været mulig.

Effektive, men sjældne og dyre metaller

En anden udfordring er at finde de helt rigtige katalysatorer til kunstig fotosyntese – altså de molekyler eller enzymer, der skal fungere som katalysatorer og omdanne sollys, vand og atmosfærens CO2 til den ønskede forbindelse.

De materialer, der indtil videre har været afprøvet som katalysatorer, er dyre og bliver hurtigt ustabile, så processen for hurtigt går i stå. Molekyler, der indeholder metaller som ruthenium, rhodium og platin har vist sig lovende, fordi de effektivt kan accelerere reaktionen, men de er sjældne og dermed dyre. Over tid har de også stadig tendens til at blive langsomme.

- Den helt store udfordring er at finde billigere, mere stabile og mere effektive katalysatorer, der kan danne grundlag for en stor-skala produktion af CO2-neutralt brændstof, siger Rodrigues.

Forskningen foregår ikke i laboratoriet

I dag bruger kemikere ofte computerkraft til at lede efter nye, potentielt interessante forbindelser, der kan fungere som katalysatorer, og det er også Gabriels tilgang. Han går ikke i laboratoriet og tester kandidater i reagensglas.

I stedet laver han simulationer på computeren, og det giver ham den fordel, at han kan bevæge sig frit i hele det kemiske felt –fx fra organisk til uorganisk kemi og fra fysik til biologisk kemi.

- Jeg er interesseret i at udvikle metoder, som gør det hurtigere at lede efter kandidater på computeren, uden at det går ud over nøjagtigheden af beregningerne. En meget nøjagtig simulation kan i dag tage uger, måneder og år at udføre, så det er et vilkår, at man må give køb på nøjagtigheden for, at tingene ikke skal tage for lang tid. Det vil jeg gerne bidrage til, bliver bedre.

Computerkraft kan blive den eftertragtede game-changer

Denne opgave skal han nu arbejde i to år på SDU med. Han er ansat i SDU Climate Clusters GAIA program, som giver ham og en række andre yngre forskere fra hele verden mulighed for at bidrage til forskningen i en række klima-relaterede emner på SDU.

Rodrigues’s projekt hedder ” From Natural to Artificial Photosynthesis: Breaking Down the Sun Mountain on the Shoulders of Computational Chemistry”.

- Beregningskemi kunne godt være den game-changer, som leder til et gennembrud i kunstig fotosyntese. Men jeg tror, vi skal betragte det arbejde, som ligger foran os, som en formentlig lang og kollektiv rejse, hvor vi gradvist får samlet så megen indsigt sammen, at vi en dag kan bringe det hele i spil sammen og få en metode, der virker.