Proces fotosyntezy generuje zielone paliwo

Rośliny są kluczem do skonstruowania sztucznych, wydajnych systemów służących do produkcji w pełni ekologicznego paliwa – dowiedli naukowcy z Uniwersytetu Stanowego Arizony. Zielone organizmy posiadają taką zdolność dzięki temu, iż przeprowadzają one proces fotosyntezy. Zielone paliwo zostanie przez nie wytworzone wyłącznie przy zużyciu energii słonecznej oraz dwóch podstawowych pierwiastków – manganu i wapnia. Badacze po raz pierwszy dokładnie przyjrzeli się temu procesowi dzięki wykorzystaniu największego lasera rentgenowskiego na świecie o nazwie LCLS, który znajduje się w SLAC National Accelerator Laboratory. Wysyła on impulsy, które pozwalają na uchwycenie zjawisk przebiegających w nanokryształkach systemu PSII do czasu aż ulegną one rozpadowi
w wyniku działania promieni rentgenowskich. Prowadzone badania pozwalają na dostrzeganie zmian w strukturze układu PSII oraz kompleksie odpowiedzialnym za rozbijanie wody. W przypadku tego drugiego czas ulega wydłużeniu, aby cząsteczki wody miały możliwość przedostania się do jego wnętrza.

Niezastąpiona fotosynteza

Fotosynteza warunkuje życie na Ziemi. Zachodzi u organizmów eukariotycznych
w organellach zawierających barwniki fotosyntetyczne – chloroplastach. Dzięki niej organizmy roślinne mają zdolność do rozbijania wody na dwa pierwiastki – wodór oraz tlen. Proces obejmuje dwie fazy – jasną oraz ciemną. Przedmiot trwających badań stanowi przede wszystkim etap pierwszy obejmujący przemiany energetyczne. Dochodzi do pochłaniania światła słonecznego i jego transformacji w energię wiązań chemicznych. Tlen jest tutaj produktem ubocznym. Tworzony jest w miejscu, w którym cztery atomy manganu łączą się
z jednym atomem wapnia. Konstrukcja ta nosi nazwę kompleksu rozbijającego wodę
i związana jest z kompleksem zwanym fotoukładem PS II o charakterze białkowym. Odpowiada on za katalizowanie zachodzącej reakcji poprzez zbieranie kwantów światła. Proces sztucznej fotosyntezy zachodzący w warunkach laboratoryjnych ma na celu uzyskanie wysokoenergetycznych związków chemicznych. Jest on wiernym odzwierciedleniem naturalnego procesu odżywiania się roślin, w trakcie którego dzięki energii słonecznej woda rozkładana jest na wodór i tlen. To podstawa do wytworzenia naturalnego paliwa. Najważniejszą rolę odgrywają fotoukłady – połączenie białek i barwników pochłaniających światło słoneczne i zamieniających je w energię chemiczną.

Energia z laboratorium

System laboratoryjny wykorzystuje tlen i wodór lub paliwo z jego duża zawartością do wytwarzanie energii elektrycznej. Przy użyciu czystego pierwiastka dochodzi do wydzielenia wyłącznie ciepła oraz wody jako produktów reakcji. Uzyskanie energii w ten sposób jest całkowicie bezpieczne dla środowiska naturalnego. Badania skupiły także uwagę genetyków. Ich celem jest wytworzenie mutantów, które będą w stanie wytwarzać wodór w obecności tlenu. W warunkach naturalnych wysoka zawartość tlenu w atmosferze hamuje produkcję wodoru. Przedmiotem prac naukowców jest  również proces rozszczepienia wody. Cztery atomy manganu i jeden atom wapnia warunkuje proces utleniania  jej cząsteczek. Jednak to
w jaki sposób zachodzi pobierania wodoru i tworzenie wiązania między atomami tlenu wciąż pozostawało zagadką. Dopiero zastosowanie lasera LCLS dało możliwość obserwacji budowy cząsteczek na poziomie atomowym. Obecnie przeprowadzone badania dają szansę na dalsze, dokładne poznanie tajemnicy procesu fotosyntezy. Ich kontynuacja jest kluczem do osiągnięcia zamierzonego celu – stworzenia technologii wytwarzającej z dużą wydajnością czyste i bezpieczne paliwo.