Konstgjord fotosyntes - vägen till framtidens energiförsörjning?

En gammal dröm är att på konstgjord väg efterlikna växternas fotosyntes. I praktiken handlar det om att utvinna väte ur vatten med hjälp av solljus.
Och det har man lyckats med sedan länge. Problemet är att det gått för långsamt. Växterna gör det ungefär 100 gånger snabbare.
Men nu har ett svenskt forskarlag lyckats trimma processen till växternas nivå. Resultaten är minst sagt lovande, och kanske är det här
det genombrott som forskarna letat efter i många år.

Det finns egentligen bara två källor­ till energi för oss på jorden. Den ena är de radioaktiva ämnen som finns i jordskorpan, och som kan förvandlas till bränslen för kärnkraftverk.
Den andra är solen.

Idag är 80 procent av all den energi vi använder konserverad solenergi, fossila bränslen som lagrats sedan flera hundra miljoner år.

Samtidigt som energibehoven växer som aldrig förr, tar lagren av fossila bränslen slut. Priserna stiger, miljöproblemen blir värre och klimatet påverkas. De flesta vet idag att vi förändrar den kemiska balansen i atmosfären när vi bränner den lagrade solenergin i kol och olja, och därmed också vårt klimat.

Problemen är uppenbara sedan länge. Det handlar inte bara om miljö­förstöring, det handlar om tillgång också. I den energislukande kinesiska ekonomin, till exempel, är det kol som gäller. Enorma mängder kol som bryts i de norra delarna av landet måste hela tiden transporteras söderut för att elda på tillverkningsindustrin där. Det gör landet ytterst sårbart.
En som vet allt om vad det innebär är Licheng Sun, kemiprofessor på KTH i Stockholm.

Han kommer från den nordliga provinsen Liaoning i Kina men har tillbringat många år som forskare i Sverige.

Den svensk-kinesiske forskaren Licheng Sun har ett efternamn som passar bra till hans forskning kring artificiell fotosyntes. Forskargruppen där han ingår har gjort ett stort genombrott. Bild: KTH

Den svensk-kinesiske forskaren Licheng Sun har ett efternamn som passar bra till hans forskning kring artificiell fotosyntes. Forskargruppen där han ingår har gjort ett stort genombrott. Bild: KTH

– Det räcker att tågen står stilla en eller två dagar i Kina för att det ska bli elbrist i söder. Det hände häromåret. Det visar på en sida av att det här inte är hållbart. Och det är just det som är bakgrunden till att vi håller på med det här. Vi måste hitta långsiktiga alternativ. Hela världen jobbar på det.

Flera decenniers forskning

Växterna har haft hundratals miljoner år på sig att utveckla­ fotosyntesen. Det är en mycket komplicerad process som inte är så lätt att härma, men forskningen går starkt framåt. Bild: SPL

Växterna har haft hundratals miljoner år på sig att utveckla­ fotosyntesen. Det är en mycket komplicerad process som inte är så lätt att härma, men forskningen går starkt framåt. Bild: SPL

Licheng Sun och hans forskarkolleger på KTH har tagit ett viktigt steg i sökandet efter hållbara alternativ till de fossila bränslena. Han visar det med en film där vatten i en glasbehållare – en vanlig e-kolv, välkänd från skolans kemilektioner – bubblar och ger ifrån sig gas till två anslutna slangar. En ganska odramatisk bild egentligen, men kanske en glimt av framtiden.

Ett alternativ till kol, olja och gas är nämligen att försöka efterlikna det som är grunden till allt från början­: fotosyntesen, naturens egets sätt att fånga in fotonerna från solen, den process som skapat alla fossila bränslen­. Att imitera fotosyntesen är inte någon ny snilleblixt. Det har arbetats på det i några av världens mest avancerade forskningslaboratorier i ett par decennier vid det här laget.

Men hittills har det gått trögt.

Fotosyntesen är ett kemiskt maskineri som använder solens ljus, markens vatten och luftens koldioxid för att skapa allt som växer. Från de enkla råmaterialen byggs både havens plankton och våra barrskogar. Och vi djur som inte kan leva på solljus får vår näring genom att äta upp dem som lever på solens ljus. Fotosyntesen driver hela biosfären, den är grunden för livet på jorden.

Det är där de små bubblorna i Suns glaskolv kommer in. De visar att fotosyntesens­ inre hemligheter är åtkomliga.

En enkel grundidé

Hur vatten och koldioxid förvandlas till kolhydrater i trädens löv är idag i princip utforskat. Det är en milt sagt komplicerad process i många steg med stora proteinmolekyler inblandade.
– I naturen är det här väldigt komplext. Det har utvecklats under miljarder år med små förändringar här och där, en liten bit har lagts på i taget. Vi hinner inte vänta så länge, men konceptet kan vi lära oss. Vi ska inte göra exakt som naturen, men vi kan använda oss av grundidén, säger Licheng­ Sun.

Molekylerna som växterna använder för fotosyntesen är mycket komplicerade. Här är en modell av fotosystem I, som tar upp ljus i de längre våglängderna. Forskarna är dock mer intresserade av fotosystem II. Bild: SPL

Molekylerna som växterna använder för fotosyntesen är mycket komplicerade. Här är en modell av fotosystem I, som tar upp ljus i de längre våglängderna. Forskarna är dock mer intresserade av fotosystem II. Bild: SPL

Grundidén är enkel. Det handlar om att klyva vattenmolekyler. Att dela upp vattnet i sina kemiska beståndsdelar syre och väte är steg ett i processen. Vatten är en tämligen stabil molekyl. Två väteatomer och en syre­atom som trivs bra tillsammans och bildar en fast enhet. Det krävs därför energi för att dela på dem.

Det går att göra med ett vanligt ficklampsbatteri och några sladdar i en vattenlösning. Men i naturen underlättas processen med kemiska hjälpgummor, katalysatorer, ämnen som skyndar på reaktionen. De gör att det går betydligt lättare, och att man kan få en effektiv reaktion vid måttliga temperaturer och i vanligt dagsljus, och det gör att växter kan trivas även på våra nordliga breddgrader.

Två vattenmolekyler innehåller enligt­ den välkända kemiska formeln för vatten, H2O, två syreatomer och fyra väteatomer. Resultatet av fotosyntesens första delsteg är en molekyl av syrgas – O2 – och två av vätgas, två stycken H2.

Grönalger är, vid sidan av växterna, en av de organismer som använder fotosyntes. Bild: SPL

Grönalger är, vid sidan av växterna, en av de organismer som använder fotosyntes. Bild: SPL

Vätgasrevolutionen

I naturen släpper växterna ut syrgasen i atmosfären, och det är den som vi andas in. Vätgasen tas om hand i nästa avdelning på klorofyllfabriken där den kombineras med luftens koldioxid till mer komplicerade sockerarter, som sedan blir stärkelse och cellulosa och allt annat som bygger upp växtriket.

Men forskarna som jagar fotosyntesens hemligheter nöjer sig med steg ett. Det är syret och vätet de är ute efter­.

Om vi kan hitta ett lika effektivt sätt att få fram vätgas som växterna gör så är vi på god väg att lösa energiproblemen. Vätgas är ett rent bränsle som vi har tillgång till så länge det finns vatten på jorden. Kan vi producera vätgas med hjälp av solljus, som växterna gör, så är det revolution på gång. Vi behöver bara katalysatorerna som klarar jobbet.

Klorofyllmolekylen ger växterna dess gröna färg och står för insamlingen av solenergi. Men den är bara en del i fotosyntesen­ – det är ett mycket komplicerat system av processer och moleky

Klorofyllmolekylen ger växterna dess gröna färg och står för insamlingen av solenergi. Men den är bara en del i fotosyntesen­ – det är ett mycket komplicerat system av processer och moleky

Och, som sagt, jakten har pågått ett tag nu. Katalysatorerna som driver på den här reaktionen är så kallade molekylkomplex, avancerade apparater som reagerar på ljus med en laddad metalljon i centrum.

I naturen byggs katalysatorerna­ kring en atom av grundämnet mangan­. Ganska länge har man därför jobbat på att skapa komplex med mangan i laboratoriet för att få fart på vätgasproduktionen.

Förra året publicerade en japansk forskargrupp resultat av röntgenkristallografiska undersökningar som visar­ exakt hur naturens mangan­katalysator ser ut.

Det är en buske av molekylära utskott som ligger inbäddad i en mindre­ skog av proteinmolekyler. Det är inget­ man bygger upp i ett provrör hur som helst. Naturen har som sagt arbetat fram den här apparaten under miljoner­ år. Forskarna letar efter en enklare modell.

Sådana enklare modeller har man nu mekat med under flera år och med en rad olika metaller som utgångspunkt. Förutom mangan har man provat metaller som kobolt och järn och även rutenium.

Cyanobakterier (blågröna alger) är enligt en teori de organismer som är fotosyntesens ursprung. Växternas kloroplaster ska då från början ha varit cyanobakterier som uppfångats av växternas föregångare. Bild: SPL

Cyanobakterier (blågröna alger) är enligt en teori de organismer som är fotosyntesens ursprung. Växternas kloroplaster ska då från början ha varit cyanobakterier som uppfångats av växternas föregångare. Bild: SPL

Att trimma fotosyntesen

Några av världens ledande forskningsinstitut har jobbat med att skapa ljuskänsliga katalysatorer där solens fotoner sätter igång en vandring av elektroner vilken blir så stark att metalljonen i komplexets mitt river isär vattnet i sina beståndsdelar.

Och det går. Men det går för långsamt. Utbytet av reaktionen blir för litet för att vara meningsfullt. Reaktionen behöver trimmas så att den går ungefär hundra gånger snabbare. Och det är det som Licheng Sun och hans medarbetare på KTH lyckats med, och det är därför de får rubriker bland fotosyntesforskare världen över.

Med hjälp av en katalysator som bygger på den sällsynta metallen rutenium åstadkommer de de bubblor som syns på Suns datorskärm. Ett milli­gram katalysator frigör 700 milli­liter syrgas ur vattnet varje minut. Är det ett bra resultat? Ingen tvekan, enligt Sun. Men det verkliga måttet är antal reaktioner per sekund. Det är det som räknas. Tidigare resultat har envist legat kring en handfull per sekund. Med det nya ruteniumkomplexet har man på KTH mätt upp 300 producerade syrgasmolekyler per sekund. Det är samma nivå som i naturen, och ett resultat som gör att man kanske kan börja prata om konstgjord fotosyntes på allvar. Är det här följden av ett plötsligt genombrott i forskningen? Nej inte alls, säger Licheng­ Sun.
– Vi valde ruteniumspåret för flera år sedan, och sedan har vi arbetat länge med att justera och fintrimma katalysatorn. Nu vet vi mycket mer och kan kanske gå tillbaka och prova med kobolt, järn eller mangan istället, som är billigare.

Växtceller med kloroplaster, de organeller som innehåller klorofyll och de enzymer som krävs för fotosyntes. Bild: Kristian Peters

Växtceller med kloroplaster, de organeller som innehåller klorofyll och de enzymer som krävs för fotosyntes. Bild: Kristian Peters

Ett genombrott

Hur långt bort är vi då från att tillverka anordningar som utnyttjar det här tekniskt?

– Det är inte svårt att få fram komplexen, det är inget problem att tillverka dem. Om man ska skapa en fungerande apparat handlar det om att sätta katalysatorn på en yta. Vi har testat att använda kolnanorör på en yta där katalysatorkomplexen fäster på rören på ett systematiskt sätt. De gör att hela ytan blir nanostrukturerad över en stor och effektiv yta.

Hur länge kan det då dröja innan vi ser någon form av katalysator som kan göra att man driver en bil, eller lyser upp en villa med hjälp av vanligt vatten och solljus?

– Man kan titta på allt som hänt under senaste åren, med mobiltelefoner och internet. Jag har jobbat med det här i 17 år utan att komma så långt. Vi har gjort mycket bra vetenskap, men inget riktigt genombrott. Men plötsligt händer allt på en gång. Hur lång tid ska det ta? Ingen vet, kanske­ tio år.

Forskning kring artificiell fotosyntes pågår på många ställen runt världen. Här är det forskare på Lawrence Berkeley National Laboratory som utför ett experiment. Bild: Lawrence Berkeley National Laboratory

Forskning kring artificiell fotosyntes pågår på många ställen runt världen. Här är det forskare på Lawrence Berkeley National Laboratory som utför ett experiment. Bild: Lawrence Berkeley National Laboratory

– Den här upptäckten är fantastisk, ett av de häftigaste framstegen vi har sett på senare tid, och den kommer att studeras noggrant över hela världen, säger Stenbjörn Styring.
Han är professor i molekylär biomimetik i Uppsala, och var med och startade det svenska konsortiet för artificiell fotosyntes redan 1993.

– Men en annan sida av den här specifika tekniken som man måste förstå är att den inte ensam kan lösa produktionen av solbränsle från solenergi och vatten. Enligt Stenbjörn Styring är tillgången på rutenium alltför liten för storskalig tillverkning av den här typen­ av katalysatorer.

– Sun har visat att det är möjligt att komma upp i den här effektiviteten för katalysatorn. Nu behöver vi lära oss mer om hur det går till för att kanske kunna skapa katalysatorer av andra metaller, som mangan, kobolt eller järn. Vi tittar just nu på kobolt, till exempel.

– Det stora i det här är annars att forskningen om solbränslen utvecklas blixtrande snabbt och det är värt att lägga märke till att Sverige har en så stark ställning i den forskningen, säger Stenbjörn Styring. 

Fakta: 
Hur vätgas blir bränsle
Väte är det enklaste av alla grundämnen, och atomen har normalt bara en elektron och en proton.

Väte är det enklaste av alla grundämnen, och atomen har normalt bara en elektron och en proton.

Väte är grundämne nummer ett, det lättaste av alla ämnen. Det är också det allra vanligaste ämnet i hela universum.

 

Vätgas brinner i luft med en temperatur på 2 000 grader. Resultatet är vanligt vatten. Det gör att vätgas utgör ett rent och effektivt bränsle, både i bränsleceller av olika slag som omvandlar den kemiska energin till elektricitet, eller i förbränningsmotorer.

 

Den tekniska utmaningen hittills har visat sig vara frågan om lagring. Hur ska man kunna ta med sig eller förvara vätgasen på ett säkert och energieffektivt sätt?

 

Med vanlig högtryckstank för väte krävs idag cirka sex gånger större utrymme än för en bensintank med samma innehåll av energi.

 

Nya högteknologiska material som binder vätgasen kemiskt utvecklas på många håll, men ännu finns ingen riktigt bra lösning. Det har gjort att några forskargrupper istället arbetar på att omvandla vätgasen till metanol.

 

Licheng Sun på KTH ser inte lagringsfrågan som ett problem.

 

– Det blir en fråga för nästa generation, säger han. Vi löser det första först. Vill man gå vidare och reducera väte till metanol som man kan lagra utan problem så kan man göra det, säger han.

Rutenium
Rutenium är en ovanlig metall som används i liten utsträckning, då mest i elektronik.

Rutenium är en ovanlig metall som används i liten utsträckning, då mest i elektronik.

Rutenium är en silvervit metall som tillhör gruppen övergångsmetaller, och är nära släkt med platina. Den upptäcktes nästan av svensken Berzelius på 1800-talet – men det var den ryske kemisten Karl Karlovich Klaus som gav den namnet 1844.

 

Bara 12 ton rutenium produceras varje år. De globala reserverna beräknas till inte mer än 5 000 ton. De rikaste kända malmerna finns i Sydafrika.

Fotosyntes i naturen
En modell av fotosystem II, ett komplex av komplicerade molekyler som är grunden till växternas förmåga att omvandla solljus till kemisk energi.

En modell av fotosystem II, ett komplex av komplicerade molekyler som är grunden till växternas förmåga att omvandla solljus till kemisk energi.

Fotosystem II kallas den process som är nyckeln till nästan allt jordiskt liv vi känner idag. Det är en av naturens mest framgångsrika uppfinningar. Hemligheten är att den använder en outtömlig elektronkälla, vatten, och en outtömlig energikälla, solen. Tack vare fotosystem II är växterna och algerna de dominerande livsformerna på jorden. Där det finns vatten och ljus, där finns det liv.

 

Det går till såhär: Inuti fotosystem II finns klorofyllmolekyler som absorberar solljus. När klorofyllet har laddats med extra energi av ljuset, skickar det ut en elektron till elektronbärande ämnen i membranet. Elektronhålet som då uppstår måste fyllas på, och en elektron flyttas därför till klorofyllet från en grupp joner av metallen mangan, som bildar ett komplex. Mangankomplexet drar i sin tur ut elektroner från vattenmolekyler (H2O), som binds vid manganets yta. Vattenmolekylerna spjälkas på så vis sönder, och det bildas syrgas. I naturen omvandlas solenergi till kemisk energi genom två processer. Först kommer de så kallade ljusreaktionerna bland annat i fotosystem II. De innebär att solenergin fångas in och omvandlas till kemisk energi. I det andra steget används den bundna energin till att bygga upp växtens delar av cellulosa eller stärkelse.

 

När man räknar på effektiviteten hos fotosyntesen i växter, räknar man för det mesta bara med det som går att skörda i form av biomassa. Och då visar det sig att bara någon procent av den infångade ljusenergin har omvandlats till biomassa.

 

Men det betyder inte att den naturliga fotosyntesen är ineffektiv. Det är i det andra steget, när växten bygger upp sig själv genom att skapa socker, stärkelse och cellulosa, som energi går förlorad för oss.

 

Ljusreaktionerna däremot är tvärtom mycket effektiva. Upp till 30 till 40 procent av den infångade solenergin bevaras i form av kemisk energi.

 

Hur mycket användbar energi kan konstgjord fotosyntes bidra med om man räknar med att komma upp i hälften av naturens effektivitet?

 

Energimängden i solljuset som per år och kvadratmeter strålar in över Sverige, är cirka 1000 kilowattimmar.

 

Om taket på en normal villa täcks med en solapparat som producerar bränsle från sol och vatten med 15 procents verkningsgrad, räcker bränslet för att täcka villans hela energibehov. För att täcka energibehovet hos våra transportsystem krävs det en yta motsvarande 70 kvadratmeter per person. Mindre än 0,2 procent av Sveriges totala yta skulle alltså kunna täcka hela energibehovet för transporterna enligt beräkningar från Energimyndigheten. Det är naturligtvis ingen liten yta, men inte orimligt stor i förhållande till vad det skulle innebära i energitillgång.

En kemisk dans

Nyckeln till artificiell fotosyntes är att konstruera en bra katalysator. Det innebär en komplicerad molekyl som kan dra elektroner från vattnets syreatomer med hjälp av energi från solljus.

 

Armarna i katalysatorkomplexet, liganderna, är organiska strukturer som reagerar på ljus. Solens ljusfotoner sätter igång en kedja av händelser, en rörelse av elektroner som aktiverar den stora metalljonen av rutenium i centrum. Den laddas upp och börjar dra till sig negativt laddade partiklar, som syredelen av en vattenmolekyl.

 

När en vattenmolekyl närmar sig dras den stora syredelen av vattenmolekylen mot ruteniumjonen. Metallens laddning suger åt sig elektroner från syret, och två stycken vatten tappar elektroner till rutenium­jonen och förvandlas, oxideras, till syrgas. Resterna av vattenmolekylerna, vätet, blir fyra plusladdade protoner i vattenlösningen, som enkelt kan omvandlas till vätgas i nästa steg.

Material från
Allt om Vetenskap nr 6 - 2012

Mest lästa

Fler nyheter

Fler nyheter