Fotosyntéza přestává být výsadou rostlin

A právě tuto schopnost přímé přeměny slunečního světla, která se nazývá fotosyntéza, bychom v blízké budoucnosti mohli být schopni napodobit. Získali bychom tím obrovský zdroj čisté, skladovatelné a velmi efektivní energie.

Umělá fotosyntéza je revoluční krok na poli obnovitelných energií

Větrná a sluneční energie sklízená pomocí fotovoltaických buněk jsou dvě hlavní formy získávání čisté energie. Přidáním třetí – umělé fotosyntézy – by se celá oblast obnovitelných energií dramaticky změnila. Možnost ukládat získanou energii jednoduše, bez použití objemných a drahých baterií, by nám umožnila zásobovat společnost potřebnou energií čistě a efektivně.

Jak větrné turbíny, tak fotovoltaické panely mají i své stinné stránky v podobě dopadů na životní prostředí a dalších faktorů, které jejich využívání komplikují. Yulia Pushkarová, biofyzička a profesorka fyziky při Purduově univerzitě a americké Indianě, věří, že umělá fotosyntéza by se těmto negativům dokázala vyhnout. „Stejně jako já i další výzkumníci a vědci na světě pracují velice tvrdě na tom, abychom přišli s nějakou formou dostupné energie,“ říká. „Samozřejmě mám na mysli energii, která je čistá a trvale obnovitelná a kterou dokážeme vytvořit za pomoci netoxických a jednoduše dostupných prostředků. Naše umělá fotosyntéza je proto rozhodně krok správným směrem,“ nepochybuje.

Umělá fotosyntéza má potenciál být velice efektivní

Fotosyntéza je velmi komplexní soubor procesů, během nichž rostliny přeměňují sluneční záření a molekuly vody na využitelnou energii v podobě glukózy. K tomu používají pigment, povětšinou snad každému známý chlorofyl a také proteiny, enzymy a kovy.

Z člověkem ovládaných procesů je umělé fotosyntéze nejbližší fotovoltaická technologie, kdy solární články přeměňují sluneční energii na elektřinu. Je to ale proces nechvalně proslulý svou neefektivností, neboť je schopen zachytit pouhých 20 % sluneční energie. Oproti tomu fotosyntéza je mnohem účinnější: v přidružených biomolekulách zachytí v podobě chemické energie celých 60 % sluneční energie.

Výkonnost jednoduchých fotovoltaických článků – solárních panelů – je omezena schopností měničů vstřebávat světelnou energii a také schopností článků produkovat energii. A právě tento omezující limit by vědci umělou fotosyntézou mohli překonat. „Umělá fotosyntéza s sebou nenese žádná zásadní fyzická omezení,“ vysvětluje Yulia Pushkarová. „Velice jednoduše si můžete představit systém, který je ze 60 % efektivní, protože máme vzor v přírodní fotosyntéze. A pokud se odvážíme být ještě ambicióznější, můžeme si představovat systém, který bude efektivní až z 80 %,“ říká. „Fotosyntéza je neskutečně efektivní, co se týče štěpení vody – a to je také prvním krokem umělé fotosyntézy. Rostlinné fotosystémové proteiny to zvládnou tisíckrát za vteřinu. Ani nemrknete okem a je to,“ vysvětluje Pushkarová.

Její výzkumná skupina napodobuje proces přírodní fotosyntézy tím, že zkonstruovali vlastní analog umělých listů, který zachytává světlo a štěpí molekuly vody, aby získali vodík. Takto získaný vodík může být sám o sobě využit jako palivo v palivových článcích nebo může být přidáván do dalších paliv, jako je zemní plyn. Také může být přímo včleněn do palivových článků a zásobovat energií všechno, od automobilů, domů i třeba malých elektronických zařízení po laboratoře a nemocnice. Vhled do toho, jak se molekuly vody během fotosyntézy štěpí, patří k posledním objevům Yulie Pushkarové.

Výzkumníci v její laboratoři experimentují s kombinacemi fotosystémových proteinů a syntetických katalyzátorů ve snaze porozumět tomu, co funguje nejlépe – a proč. Yulia Pushkarová také klade důraz na to, aby při své práci používali komponenty a chemikálie, které se světě hojně vyskytují, jsou jednoduše dostupné a nejsou pro planetu jedovaté.

„Jde o velmi komplexní reakci,“ vysvětluje Yulia Pushkarová. „Chemie štěpení molekul vody je extrémně spletitá a komplikovaná.“

Na umělé fotosyntéze vědci pracují už od sedmdesátých let minulého století. To se může zdát jako dlouhá doba, ale ne až tak, když vezmeme v potaz, že přírodní fotosyntéza se vyvíjela miliony let. A nejen to, vědci jsou navíc přesvědčeni, že fotosyntéza se vyvinula pouze jednou, před zhruba třemi miliardami let, tedy přibližně 1,5 miliardy let po vzniku planety, a od té doby probíhá podle stejných, neměnných vzorců.

Yulia Pushkarová je přesvědčena, že v průběhu příštích 10–15 let dosáhne dostatečného pokroku, aby bylo možné začít vyrábět systémy umělé fotosyntézy komerčně.