Američtí fyzici chtějí průmyslově napodobit fotosyntézu. Mohl by to být nevyčerpatelný zdroj čisté energie

Sen o tom, že lidstvo ovládne umělou fotosyntézu, se nedaří naplnit už víc než půl století. Nové výzkumy ale přináší naději, že se to možná brzy povede.

Lidé umí spoustu věcí, které rostliny nedokážou. Mohou chodit, mluvit, slyšet, vidět a dotýkat se. Rostliny ale mají oproti lidem jednu velkou výhodu: umí získávat energii přímo ze slunce.

Tento proces přeměny slunečního světla přímo na využitelnou energii se jmenuje fotosyntéza a je základem života na Zemi. Skupina vědců věří, že ho bude možná brzy schopen napodobit i člověk. Cílem jejich projektu je využít sluneční energii k výrobě čistého, skladovatelného a účinného paliva. Pokud by se jim to podařilo, mohlo by to otevřít zcela nové možnosti využívání čisté energie –⁠ za jedinou hodinu totiž dopadne na Zemi ve formě slunečního záření tolik energie, že by pokryla energetické potřeby kompletní lidské civilizace na celý rok.

Tým kolem Yulie Puskharové, biofyzičky a profesorky fyziky na Purdue's College of Science, věří, že zná způsob, jak tuto energii využít pro lidskou společnost napodobením rostlin.

Není čistá energie jako čistá energie

Síla větru a slunce jsou dvě hlavní dostupné formy čisté energie. Přidání třetího zdroje –⁠ syntetické fotosyntézy –⁠ by podle autorů tohoto výzkumu dramaticky změnilo situaci v oblasti obnovitelných zdrojů. Schopnost snadno uchovávat energii, aniž by bylo nutné používat objemné baterie, by výrazně zlepšila schopnost lidí čistě a efektivně pokrýt spotřebu jakékoliv společnosti.

Větrné turbíny i fotovoltaika mají své nevýhody, pokud jde o dopady na životní prostředí a komplikující faktory. Pushkarová doufá, že umělá fotosyntéza by mohla tato úskalí obejít.

„My a další výzkumníci po celém světě pracujeme na tom, abychom se pokusili přijít s dostupnou energií,“ uvedla vědkyně. „Energie, která je čistá a udržitelná a kterou můžeme vytvořit pomocí netoxických a přitom snadno dostupných prvků. Naše umělá fotosyntéza je cestou vpřed do budoucnosti,“ dodala.

Jak to má fungovat

Fotosyntéza je složitý soubor procesů, při nichž rostliny přeměňují sluneční záření a molekuly vody na využitelnou energii ve formě glukózy. Využívají k tomu zejména chlorofyl, ale důležitý podíl mají také bílkoviny, enzymy a kovy.

Tento proces vznikal miliardy let –⁠ první doklady o organismech schopných fotosyntézy pocházejí z doby před asi 3,4 miliardy let. Evoluce tedy umožnila, aby se všechny procesy zdokonalily a adaptovaly na podmínky na Zemi. Napodobit to lidskými silami znamená přeskočit právě ty miliardy roků.

Technologický proces, který by byl umělé fotosyntéze nejbližší, je fotovoltaická technologie. Solární článek v ní přeměňuje sluneční energii na elektřinu. Tento postup je známý svou neefektivitou, dokáže totiž v reálných podmínkách zachytit jen asi dvacet procent sluneční energie.

Fotosyntéza je naproti tomu výrazně účinnější; je schopná uložit asi šedesát procent sluneční energie jako chemickou energii v přidružených biomolekulách –⁠ podobně jako lidé ukládají energii do chemických baterií.

Omezená účinnost jednoduchých fotovoltaických článků, které jsou nejznámější v podobě solárních panelů, je daná jednak schopností polovodičů absorbovat světelnou energii a také schopností článku energii vyrábět. Tento limit by vědci chtěli překonat právě pomocí syntetické fotosyntézy.

„U umělé fotosyntézy neexistují žádná zásadní fyzikální omezení,“ popisuje Pushkarová. „Můžete si velmi snadno představit systém, který je účinný z šedesáti procent, protože v přírodní fotosyntéze již máme precedens. A pokud budeme velmi ambiciózní, můžeme si představit i systém s účinností až osmdesát procent,“ věří vědkyně.

Štěpení vody je základ

„Fotosyntéza je nesmírně účinná v rozkládání vody, což je první krok umělé fotosyntézy. Proteiny fotosystému II v rostlinách to dělají tisíckrát za sekundu. Stačí mrknout a je hotovo,“ vysvětluje Pushkarová.

Její skupina napodobuje tento proces tím, že vytváří vlastní umělou obdobu listů, která sbírá světlo a rozkládá molekuly vody za vzniku vodíku. Ten může být použit jako palivo sám o sobě prostřednictvím článků, anebo může být přidán k jiným palivům, jako je zemní plyn. Případně může být zabudován do systémů, které pohánějí vše od vozidel přes domy až po malá elektronická zařízení, laboratoře a nemocnice. Vědci úspěšnost aplikace tohoto přístupu popsali v odborném časopise Chem Catalysis.

Experimentují přitom s přírodními proteiny fotosystému II a kombinacemi syntetických katalyzátorů. Chtějí tak pochopit, co funguje nejlépe –⁠ a proč. Hledají navíc sloučeniny a chemické látky, jež jsou na Zemi snadno dostupné a netoxické; cílem je, aby byl nakonec proces využitelný v průmyslovém rozsahu.

Příliš složitý proces

Rychlejší pokrok v umělé fotosyntéze komplikuje to, jak komplexní proces je fotosyntéza. „Ta reakce je opravdu složitá,“ řekla Pushkarová. „Chemie štěpení molekul vody je nesmírně složitá a obtížná.“

Vědci začali na umělé fotosyntéze poprvé pracovat už v sedmdesátých letech dvacátého století. Pokrok je ale zatím jen velmi pomalý –⁠ Pushkarová věří, že se to konečně zlomí a díky dnešnímu výzkumu se během příštích deseti až patnácti let povede dosáhnout dostatečného pokroku, aby se mohly začít používat komerční systémy umělé fotosyntézy.