Konstgjord fotosyntes ska ge energi i oändliga mängder

1999-12-09 14:43  
När Ahmed Zewail imorgon tar emot Nobelpriset i kemi ur Carl XVI Gustavs hand är det inte bara församlingen i Konserthuset som applåderar. Tusentals forskare runt om i världen kan tacka honom för de djupdykningar i kemins innersta väsen som de kan utföra numera.

- Från början trodde vi att det skulle ta 20 år att komma fram till en lösning på konstgjord fotosyntes. Nu börjar jag tro att det kan ta fem år. Mer realistiskt är kanske tio år, säger Ann Magnuson, biokemist på Lunds universitet och gästforskare vid Californiauniversitetet i Davis, Sacramento.

- Femtokemin är förutsättningen för vårt jobb. Utan den skulle vi inte vara trovärdiga, säger Stenbjörn Styring. Han är professor i biokemi i Lund och leder den svenska forskningen kring konstgjord fotosyntes. Även han gäst-forskar just nu i Kalifornien.

Svenskarna har kommit långt. De arbetar på grundforskningsnivå, men har samtidigt satt upp ett mål: Genom att härma växternas fotosyntes hoppas de kunna skapa en solcell i flytande form, som producerar bränsle av sol och vatten, förnybara och oändliga utgångsämnen. Solcellen skulle man kunna tanka ned i en behållare och utvinna exempelvis vätgas ur.

Konstgjord fotosyntes är ett av energiforskningens hetaste forskningsfält idag. Att kunna härma växternas sätt att skapa energi av sol och vatten är något av en forskares öns-kedröm. En energikälla baserad på solenergi och vatten skulle kunna lösa många av samhällets energi- och miljöproblem. Den som blir först med den bedriften har en säker placering bland Nobelpriskandidaterna.

Utifrån det perspektivet är den stora svenska satsningen på fotosyntesforskningen rätt naturlig. Pengar saknas inte; sammanlagt cirka 40 miljoner kronor för de närmaste fem åren har satsats från Energimyndigheten, Delegationen för Energiförsörjning i Sydsverige och Wallenbergsstiftelsen.

Den naturliga fotosyntesen bygger på en ovanligt smart och intrikat processkedja med en mycket invecklad kemi, där energin till slut lagras i kolhydrater i växten.

- Men vi vill skapa ett system där vi får ett bränsle direkt utan att gå omvägen via växtens hela livscykel, säger Ann Magnuson.

Det kan ske genom att härma det viktigaste reaktionerna i ett växtenzym, som kallas fotosystem II. Där fångar klorofyllet i växtens blad in solljuset och omvandlar solenergin till kemisk energi med hjälp av en aminosyra, tyrosin och ett manganhaltigt ämne. Den energin blir till slut elektrisk, i form av elektroner, när vattnet i växten spjälkar upp till syre och väte, det vill säga protoner och elektroner.

I den konstgjorda processen använder forskarna metallen rutenium istället för klorofyll. Den metallen gör precis som klorofyllet, fångar in ljuset och avger energi. Till rutenium kopplar man sedan ett mangankomplex och tyrosin. Resultatet blir supermolekyler.

De molekylerna tillverkas vid Stockholms universitet, organisk kemi, av professor Björn Åkermark och Licheng Sun.

Reaktionerna inne i molekylen går blixtsnabbt, om inte i femtosekunder, så i nanosekunder. Styring och Magnuson och deras grupp använder sig av laser och elektronspinnresonansspektroskopi, EPR-teknik, för att se hur elektronerna rör sig från mangankomplexet. Det sker i ett mörkrum för att kunna jämföra förändringarna i molekylens spektrum, när den träffas av laserblixtarna.

Det är ett tufft och tröttsamt jobb. Forskarna jobbar hela tiden i kolmörker och ingen får gå in i rummet utan skyddsglasögon när lasern är på.

- Det laserljus vi använder är så starkt att det förblindar en person för resten av livet om det träffar rakt i ögat, förklarar Ann Magnuson.

I naturen späds energin i fotosystem II hela tiden på med nya elektroner från det uppspjälkade vattnet i växten. Det är just den rundgången och självförsörjningen som de svens-ka forskarna vill härma. De tycker i och för sig att de har kommit långt med det konstgjorda mangankomplexet med rutenium och tyrosin.

- Det är svårt att koppla ihop dem. Vi har gjort det i många olika föreningar. Alla dessa föreningar får mangankomplexet att lämna ifrån sig elektroner, berättar Stenbjörn Styring.

Hittills har forskarna lyckats föra över tre elektroner från mangankomplexet till ruteniumet. Ett komplett steg kräver fyra elektroner.

- Vi har massor av idéeroch vi vill gärna tro att vi är nära en lösning.

Att sätta igång processen klarar man alltså. Den startas med en laserblixt, som får elektronerna att börja hoppa runt. Men att sen hålla systemet igång är en avsevärt svårare fråga. Det gäller att få vattnet att reagera och leverera elektroner till mangankomplexet. Hur den kopplingen ser ut vet inte forskarna idag.

- Vattenspjälkningen är det helt avgörande steget. Att lyckas med det vore att finna guldägget, säger Stenbjörn Styring.

Men för att komma dithänär det möjligt att man måste experimentera med andra ämnen först, till exempel alkoholer.

- Spjälkning av alkoholer är en enkel och känd metod. Men att sönderdela vatten med en kemisk katalysator är oerhört mycket svårare.

- Ännu har ingen uppfunnit någon sådan katalysator som härmar växterna. Vi håller alltså på att försöka erövra okänd mark, förklarar Ann Magnuson.

Kerstin Österberg

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt

Läs mer