Wetenschappers zetten koolstofdioxide op duurzame manier om in brandstof.
Het concept van een kunstmatig blad houdt helemaal steek. Bladeren zetten koolstofdioxide met energie van de zon om in koolhydraten die de celactiviteiten van de plant aandrijven. Dat is welbekend. Decennialang hebben wetenschappers gezocht naar manieren om dat proces na te apen, om een brandstof te produceren die ze ook konden opslaan. Dat is namelijk een groot struikelblok bij wind- en zonne-energie: een manier vinden om de energie op te slaan voor windstille, donkere tijden.
Efficiënter dan planten
Een schare onderzoekers heeft door de jaren heen bijgedragen aan de ontwikkeling van zo’n soort kunstmatige fotosynthese. Daarbij splitst een door zonlicht aangedreven katalysator watermoleculen in zuurstof en waterstof. Dat laatste is van nut voor een scala aan duurzame technologieën. Om nog een stap dichter te komen bij daadwerkelijke fotosynthese zou die waterstof in een reductiereactie CO2 moeten omzetten in koolwaterstof.
Als we erin slagen om net als bij echte bladeren brandstof te produceren met niet meer dan CO2, water en zonlicht, zou dat werkelijk grensverleggend zijn. Het zou een gesloten kringloop mogelijk maken: bij verbranding vrijgekomen koolstofdioxide wordt weer in brandstof omgezet in plaats van bij te dragen tot het broeikaseffect.
Dat streefdoel jagen verschillende onderzoekers na. Onlangs is een groep erin geslaagd efficiënt water te splitsen én CO2 om te zetten in brandstof in hetzelfde systeem. In 2016 deden Daniel Nocera en Pamela Silver, beiden van Harvard, in het vakblad Science verslag over hun methode om vloeibare brandstof te maken (in het bijzonder foezelolie).
Het proces was veel doeltreffender dan wat planten doen. Die gebruiken amper 1 procent van de energie die de zon ze geeft om glucose te maken. Het kunstmatige systeem haalde daarentegen een efficiëntie van 10 procent bij het omzetten van koolstofdioxide in brandstof. Dat komt neer op 180 gram CO2 die uit de lucht wordt gehaald per kilowattuur opgewekte elektriciteit.
Experimenteren met meststof
De onderzoekers combineerden een anorganische zonnetechnologie voor watersplitsing met microben die genetisch gemanipuleerd waren om brandstof te produceren. Verrassend genoeg maakten die bacteriën zelfs bij lage concentraties koolstofdioxide brandstoffen en chemische stoffen aan. De katalysator is gemaakt met goedkope, vrij beschikbare metalen. De methode kan dus nu al opgeschaald worden. Maar de onderzoekers hopen de brandstofproductie nog drastisch op te drijven. Het team werkt aan prototypes van de technologie en is in gesprek met meerdere bedrijven.
Nocera’s ambities voor de basistechnologie reiken nog verder. Hij kon aantonen dat het systeem meer kan dan waterstof- en koolstofrijke brandstoffen maken. Als je het uitrust met een bacterie met een andere genetische wijziging, dan kan het in de bodem een meststof met stikstof aanmaken. In gebieden waar geen meststoffen beschikbaar zijn, kan dat boeren aan een grotere oogst helpen.
De bacterie maakt met waterstof en CO2 een biologisch plastic dat dient als brandstofvoorraad. Eens er genoeg plastic is aangemaakt, is zonlicht niet langer nodig en kan de bacterie dus in de bodem worden begraven. Hij haalt stikstof uit de lucht, en wendt de energie en waterstof in het plastic aan om meststof te maken. Radijzen gekweekt in grond met zulke microben bleken 150 procent meer te wegen dan andere radijzen.
Nocera was louter uit nieuwsgierigheid aan het meststofexperiment begonnen. Toch denkt hij dat er een tijd komt dat bacteriën ‘waterstof inademen’ die het resultaat is van watersplitsing, en die omtoveren tot brandstof, meststof, plastic of geneesmiddelen. Er zijn talloze genetische manipulaties denkbaar voor het metabolisme van de beestjes.
In zo’n gesloten systeem zou bij verbranding vrijgekomen CO2 weer in brandstof worden omgezet in plaats van bij te dragen tot het broeikaseffect.
