A tavasz beköszöntével lassan újra zöldbe borul a természet, aminek több okból is örülhetünk. Amellett ugyanis, hogy órákon át gyönyörködhetünk környezetünkben, a növények levelei akár megújuló energiaforrásként is segíthetik életünket. Hogyan lehetséges mindez? Mit értünk „szintetikus” leveleken?

A Nap ereje

A Nap nélkül nem létezhetne élet a Földön, így jogosan tekinthetjük az egyik legfontosabb égitestnek. Tömege 99,87%-át adja a teljes Naprendszer tömegének, nagy energiáját pedig a magfúziós reakciónak köszönheti. Az ennek során keletkező energiát fotonokként adja le gamma- és röntgensugárzásként. Ez akkora energiamennyiség, hogy elméletileg, ha képesek lennénk az összes Földre érkező napsugarat hasznosítani, mindössze egy órányi napsütéssel a Föld teljes lakosságának egy évnyi energiaszükségletét ki tudnánk elégíteni. Érthető tehát, hogy sok kutató nagy erőkkel dolgozik a Nap erejének minél teljesebb körű kiaknázásán.

Hogy lehet felhasználni energia előállítására a Nap erejét?

Jelenleg is sokféle módon tudjuk már hasznosítani a Napból érkező sugarakat, a legelterjedtebb módszerek közé tartoznak a napelemek, a napkollektorok, amelyekkel akár a napsugarak 20–30%-a elektromos árammá alakítható. Egy másik megközelítés szerint a növények fotoszintézisét is lehet alkalmazni a Nap energiájának kiaknázásában. A fotoszintézis során a növények a napfény hatására a bennük található klorofill jelenlétében a szén-dioxidot és a vizet glükózzá, vagyis cukorrá alakítják oxigén termelődése közben. Ebből képes ezután a növény cellulózt előállítani, amely fejlődésükhöz szükséges. Egy elgondolás szerint például egy speciális reakcióval a levelek cellulóztartalmát is fel lehetne használni akár glükóz előállítására, ami fontos alapanyagként szolgálhat akár a biotechnológiában is [1]. Ez előtt nagy jövő állhat az energiatermelés szempontjából is.

A „szintetikus” levél működése

A fotoszintézis egyetlen hátránya, hogy nem túl hatékony folyamat. A legfontosabb lépése a vízbontás, aminek során a víz hidrogénre (H₂) és oxigénre (O₂) bomlik. Ezt a lépést sikerült lemásolni a Harvard Egyetem kutatóinak, ezáltal jött létre az úgynevezett „szintetikus” levél. Ennek legnagyobb előnyei közé tartozik, hogy olcsó, és energiaellátását meg lehet oldani napelemekkel, ezáltal minimalizálva a környezet terhelését. További fontos tulajdonsága, hogy hatékonysága többszörös az élőlények által alkalmazott fotoszintézishez képest. Amíg egy természetben növekedő növény a napsugárzás közel 1%-át képes hasznosítani, addig az új találmánnyal több mint 3%-os a hatékonyság. Ehhez nagyban hozzájárul a napelemek használata, mivel ezek erősítőként funkcionálnak, vagyis több energiát képesek nyújtani a szintetikus levélnek, mint amennyit a növények fel tudnak venni a Napból.

A szintetikus levél találkozása a baktériumokkal

A Harvard Egyetem kutatói felfedezésükön felbátorodva elkezdtek kísérletezni a műlevél előnyeinek további kiaknázásával. A művelethez egy Ralstonia eutropha nevű talajbaktériumot használtak, amely hidrogén és szén-dioxid segítségével képes növekedni. Ehhez a hidrogéngázt a szintetikus levél szolgáltatta a fotoszintézis vízbontási lépését felhasználva. A folyamat végén a baktérium képes volt folyékony üzemanyag-alapanyagot vagy egyéb kemikáliát előállítani. A szintetikus levél energiáját a napelemek révén közvetetten a Napból nyeri, majd ezt az energiát használja fel a vízbontáshoz, melynek során hidrogéngáz és oxigén fejlődik. A hidrogén – szén-dioxiddal vegyítve – pedig alapanyagként szolgál a Ralstonia baktérium növekedéséhez. Tehát még az egyéb folyamatokban keletkező szén-dioxidot is felhasználhatják a folyamathoz, csökkentve ezzel az üvegházhatású gázok kibocsátását. Akárcsak a növények, a szintetikus levél is biomasszát képes előállítani. A kutatóknak például izopropanolt sikerült a folyamattal létrehozni, amely üzemanyag-előállításhoz is felhasználható.

A fentieken felül az egész folyamatnak az is nagy előnye, hogy az összes felhasznált technológia erősíti egymást: a napelemek nagy hatásfokkal képesek a napsugarakat energiává alakítani, de annak tárolása még mindig nincs teljesen megoldva, bár egyre több ígéretes eredmény lát napvilágot. Erről korábbi cikkünkben is értekeztünk.

Az előállított energiát ebben az esetben teljes egészében képesek felhasználni a vízbontáshoz, így semmi sem vész kárba. A Ralstoniának a növekedéshez folyamatosan „táplálékra” van szüksége, vagyis hidrogénre, szén-dioxidra, illetve napsugárzásra. Látható tehát, hogy a különböző technológiák kombinálásával a folyamat elejétől maximálisan kihasználják az erőforrásokat, nem keletkezik káros anyag, így lényegében teljesen zöldnek tekinthető a működése.

Mit jelenthet ez a jövőre nézve?

Bár az eddig kísérletek csak egy baktériumra koncentráltak, a közeljövőben remélhetőleg további organizmusokat is felhasználnak a reakcióhoz, ezzel újabb vegyi anyagokat vagy üzemanyag-alapanyagokat is elő lehetne állítani. Így a szintetikus levél megjelenése akár új utakat is nyithat egyes termékek környezetbarát előállítási módjához. Például a Ralstonia eutropha baktérium is képes lehet olyan vegyületeket előállítani, amelyek biopolimerek alapanyagaiként funkcionálnak. Önmagában pedig a szintetikus levelet később akár az autóiparban is lehet alkalmazni a hidrogénmeghajtású járművekhez. Jelenleg egyelőre – infrastruktúra hiányában – nem terjedtek el a hidrogénalapú autók, de már sok országban nagy erőket fektetnek fejlesztésükbe, erről részletesebben podcastünkben tájékozódhatnak.

Összegzés

A szintetikus levél megjelenése is gyarapítja a környezetbarát technológiák egyre népesedő táborát. Habár előfordulhat, hogy nagyobb léptékben végül sosem fog megvalósulni ez a találmány, így is inspirálhatja a jövő kutatóit arra, hogy a természetes, illetve megújuló erőforrásokat minél jobban kiaknázzák, ezzel is háttérbe szorítva a fosszilis energiahordozókat. 

Forrás:

[1] B. Péter, F. Elemér, K. György: Szerves vegyipari technológiák. Typotex, 2011.