Problemi u snabdevanju energijom mogli bi u budućnosti biti rešeni korišćenjem modela usvojenog iz prirode. Tokom fotosinteze, biljke, alge i neke vrste bakterija proizvode šećere i druge energetski bogate supstance (tj. goriva) koristeći energiju sunca. Tim istraživača sa Max Planck Instituta za hemijsku konverziju energetike trenutno razvija eksperimentalne metode kako bi utvrdio stepen zastupljenosti ovog procesa u prirodi. Naučnici istražuju posebno važan kofaktor uključen u proces fotosinteze, mangan-kalcijumski kompleks (tj. jedinjenje), koji sunčevu energiju koristi da bi molekularni kiseonik razdvojio iz vode. Oni su utvrdili tačnu strukturu ovog kompleksa u ključnom trenutku u ovoj hemijskoj reakciji. Ovo je dovelo do detaljne naučne predstave načina na koji je molekularni kiseonik, O2, formiran u ovom metalnom jedinjenju. Kroz ove nove uvide u fotosintezu, naučnici su utvrdili jasnu skicu za sintetičke sisteme koji bi mogli da skladište energiju sunčeve svetlosti u prenosioce hemijske energije.
Tokom više od tri milijarde godina, priroda je koristila sunčevu svetlost kao svoj primarni izvor energije u fotosintezi. Tokom ovog procesa, biljke, alge i cijanobakterije (plavo-zelene alge) koriste sunčevu svetlost da bi molekul vode podelili i tako proizveli energetski bogata hemijska jedinjenja od ugljen-dioksida (CO2). Krajnji proizvod su ugljeni hidrati koji, u prirodi, deluju kao solarno gorivo za žive ćelije. Iako su osnovne reakcije koje se odvijaju tokom fotosinteze poznate već dugo vremena, istraživači sa Maks Plank Instituta za hemijsku konverziju energije u Milhajmu na Ruru (Mülheim an der Ruhr), kao i Komesarijat za atomsku energiju (CEA) u Sakleju (Saclay), Francuska, sada su uspeli da objasne i važne detalje procesa razbijanja molekula vode. Kao rezultat toga, oni su “doterali” i ključnim detaljima dopunili dosadašnja naučna saznanja za stvaranje ekološki jeftinog, solarnog goriva kroz veštačku fotosintezu pomoću sunčeve svetlosti i vode, razvijajući način koji bi ljudskom društvu omogućio okončanje svoje zavisnost od fosilnih goriva kao što su nafta, ugalj i prirodni gas.
Katalizator za cepanje molekula vode
Sunčevim svetlom pobuđeno katalitičko cepanje vode ima svoju ulogu u metalnom kompleksu mangan-kalcijuma, ugrađenom u veliki membranski protein (tzv. fotosistem II). Ovaj metalni kompleks sastoji se od četiri manganova atoma (MN) i jednog atoma kalcijuma (Ca), koja se drže zajedno u mreži kiseoničkih mostova (vidi sliku). Ovo jedinjenje putem kojeg voda oksidiše i stvara kiseonička jedinjenja prolazi kroz komplikovan ciklus kojim se oslobađaju elektroni i protoni, konačno proizvodeći vodonik i molekularni kiseonik.
U članku objavljenom u časopisu Science, nemačko-francuski tim istraživača predstavio je strukturu ovog mangan- kalcijumskog kompleksa neposredno pre proizvodnje kiseonika. Ovaj uvid u ključnu fazu prirodne, biljne fotosinteze predstavlja veoma značajno otkriće: ona pruža detaljnije razumevanje mehanizma koji su uključeni u fotosintezu i koji, po ovom modelu, omogućavaju razvoj sintetičkih sistema za cepanje molekula vode, indukovanih sunčevom svetlošću.
Studija je rezultat bliske saradnje između Odeljenja za biofizičku hemiju i molekularnu teoriju pri Institutu Maks Plank za hemijsku konverziju energije, pod rukovodstvom Volfganga Lubica i Franka Nesea (Wolfgang Lubitz, Frank Neese). U okviru ovih odeljenja, Nikolas Koks i Dimitrios Pantazis (Nicholas Cox, Dimitrios Pantazis) okupili su interdisciplinarni tim sa ciljem da steknu bolje razumevanje načina na koji se molekuli vode, pod uticajem svetlosti sunca, cepaju u prirodi.
Tri izazova postavljena tokom istraživanja fotosistema II
Prvi izazov sa kojim se suočavaju istraživači uključivali su ekstrakciju i prečišćavanje fotosistema II iz originalnighorganizama, sa njihovim potpuno netaknutim kompleksom vodenih molekula koji još uvek nisu pocepani, termofilne cijanobacterije koja se nalaze u toplim izvorima i vulkanima u Japanu i veoma je robusna. Kako bi ispunila veoma stroge uslove u pogledu kvaliteta pripreme, francuski istraživači u Sakleju morali su da provedu nekoliko godina pretpripremnog razvojnog rada, u saradnji sa istraživačima iz Japana.
Drugi izazov na koji je naišao istraživački tim ticao se karakterizacije manganskog kompleksa unutar fotosistema II, tokom različitih faza cepanja molekula vode. Istraživači iz Odeljenja biofizičke hemije Instituta Maks Plank prevazišli su ovu prepreku uz pomoć elektronske paramagnetske rezonance (EPR). Ova tehnika omogućava da se vizuelizuje distribucija elektrona u molekulu ili metalnom jedinjenju (komplesu), obezbedivši, na taj način, dublji uvid u pojedinačne faze cepanja vodenog molekula. “Ove mere generišu nove informacije i omogućavaju rešavanje problema u vezi sa detaljnom analizom molekularnih struktura u ciklusu reakcija, a koje nisu dostupne korišćenjem drugih metoda”, kaže dr Alen Busak (Alain Boussac) sa CEA u Sakleju.
Konačno, treći izazov sastojao se u korišćenju dobijene informacije radi proizvođenja kompletnog strukturnog modela biokatalizatora. Proračuni neophodni za ovaj proces uveliko su olakšani korišćenjem novih teorijskih metoda i superračunara na katedri za molekularnu teoriju pri Maks Plank institutu. Na ovaj način, istraživači su uspeli da pokažu da se, tokom kasne faze ciklusa reakcija, drugi molekul vode vezuje sa aktivnim atomom kiseonika sa obližnjim atomom kiseonika u jedinjenju, oslobađajući pri tom proton. Ova reakcija dovodi do formiranja O-O veze u narednom koraku procesa.
Gorivo iz sunčeve svetlosti – oponašanje prirode
Zahvaljujući ovom dekodiranju strukture i funkcije katalizatora prilikom cepanja molekula vode, tokom procesa ‘fotosistem II’ na atomskom nivou, objašnjenje kompletnog mehanizma cepanja molekula vode je sada na dohvat ruke. Ovo znanje omogućava identifikaciju važnih kriterijuma za projektovanje, po uzoru na prirodu, i sličnih sintetičkih katalizatora koji razlažu vodu koristeći ekološki, jeftin i lako dostupni element. U ovom trenutku, za ovu svrhu se široko koriste skupa platina i drugi retki metali i metalni kompleksi/ jedinjenja. Ovo čini da masovna proizvodnja obnovljivih energenata tj. goriva, kao što je vodonik, budu veoma skupa, ili čak nemoguća.
Uz pomoć katalizatora inspirisanih biološko-hemijskim procesima u biljkama, vodonik ili neko drugo, sunčevom svetlošću dobijeno gorivo može se jeftino proizvesti kroz kombinaciju solarnih elektrana sa katalizatorima za cepanje molekula vode, proizvodeći tako solarno gorivo umesto električne energije. Ovo bi omogućilo da energetski sektor prevaziđe glavne probleme u vezi iskorišćavanja solarne energije: Sunčeva svetlost nije neprekidno dostupan izvor energije već zavisi od kretanja sunca, dana i noći, oblačnosti, čistoće atmosfere… a električna energija, pak, nije na najbolji način “upakovana” za pokretanje današnje generacije motornih vozila. Nasuprot tome, koncept solarnog goriva omogućava direktno skladištenje solarne energije u hemijskim jedinjenjima i, shodno tome, koristi ovaj vid energije u svakom trenutku i na svakom mestu.
“Sintetičko solarno gorivo otvara širok spektar mogućnosti za tehnologije zasnovane na obnovljivim izvorima energije, posebno kada su u pitanju transport i infrastrukturni sektori koji se i dalje oslanjaju na fosilna goriva”, kaže profesor Volfgang Lubic, direktor Instituta Max Planck za hemijsku konverziju energeje. “Efikasan pogon na sunčevo svetlo, razdvajanje vode na kiseonik katalizacijom na bazi svuda prisutnih i pristupačnih metala poput mangana, predstavljalo bi ogroman napredak. Uvidi stečeni ovim istraživanjima pružaju nam saznanje o načinu na koji katalizatorski enzimi u prirodi cepaju molekul vode na atome kiseonika, čime se postavljaju temelji za razvoj nove vrste energetike u budućnosti.”
