Kai Peidongas Yangas pirmą kartą paėmė gyvą organizmą ir prijungė prie silicio vielučių, kuriomis tekėjo elektros srovė, niekas nepamanė, kad iš to galėtų būti kas nors gero. „Kai iškėliau tokią idėją, žmonės netikėjo, kad ji galėtų veikti,“ sako mokslininkas.
Krestelėti buvo ne vien mikrobai. Kalifornijos Berklio universitete atliekami P. Yango ir dar kelių tyrėjų eksperimentai rodo, kad kai kurie organizmai ne tik išgyvena per silicį tekančių grynų elektronų poveikį, bet ir gyvena ne vieną savaitę. Tuo pačiu jie atvėrė naują tvarios energijos galimybę. Tikimasi, ši biologijos ir elektros sintezė gali išspręsti vieną iš didžiausių chemijos problemų: kaip paimti laisvai prieinamą Saulės energiją ir paversti ją pigios ir žalios energijos šaltinį visiems.
Ir ne tik tai. Sukūrus mikrobus, apjungiančius geriausias šviesos panaudojimo technologijas su fotosinteze, galėtume sukurti mažus, žalius fabrikus, gaminančius tokias naudingas chemines medžiagas, kokių tik reikia.
„Gamta išmano chemiją, o žmonės moka moka gaminti elektrą,“ sako Thomas Moore, Arizonos valstijos universitete studijuojantis Saulės energijos perėmimą. „Būtų labai prasminga sujungti šiuos du dalykus.“
Siekis panaudoti Saulės galią visai nėra naujas. Paulas Kingas iš Nacionalinės atsinaujinančios energijos laboratorijos Kolorade nurodo savo mėgiamą italų chemiko Giacomo Ciamiciano įžvalgą. 1912 metų žurnale „Science“ Ciamicianas svarsto, ar įmanoma būtų pasinaudoti Saulės energija taip, kaip tai daro augalai. „Kol kas žmonių civilizacija naudojasi praktiškai vien iškastine Saulės energija – rašė jis, – argi nebūtų pažangiau labiau išnaudoti spinduliuojančią energiją?“
Peršokime šimtmetį ir įsivaizduokime, kad Ciamiciano vizija įgyvendinta. Vidutiniai plataus vartojimo Saulės skydeliai iš silicio kristalų elektra paverčia 15 – 20 procentų šviesos energijos. O kitų tipų lankstūs ir pigūs fotovoltiniai elementai irgi sparčiai darosi vis efektyvesni. Augalams belieka žaliuoti iš pavydo: teorinė didžiausią šviesos vertimo biomase riba – 4,5%. Realiomis sąlygomis daugelis augalų tepasiekia ~1%.
Bet taip lyginant, ignoruojama Saulės energiją persekiojanti problema. Nors Saulės išspinduliuojamas energijos kiekis daugmaž pastovus, apie Žemės paviršių to pasakyti jokiu būdu negalima. Čia apšviestumas priklauso nuo paros meto ir debesuotumo, todėl fotovoltinių elementų gaminama elektros srovė nėra pastovi. Tai nebūtų svarbu, jei elektrą galėtume elektros energiją paprastai kaupti ir prisireikus panaudoti. Bet nors technologijos vis geriau atitinka elektros pasiūlą ir paklausą, vis dar itin smarkiai priklausome nuo brangių, didelių ir sulig kiekvienu įkrovimo/iškrovimo ciklu degraduojančių baterijų.
Augalų evoliucija sukūrė Saulės pradingimo priešnuodžius. Augalai energiją kaupia ne kaip elektringas daleles, o cheminiuose ryšiuose. Paprasčiau tariant, jie gamina kurą.
„Degalai gali sukaupti daugiau energijos, nei baterijos,“ sako Danielis Noceris iš Harvardo universiteto – vienas iš dirbtinės fotosintezės pionierių. „Gamtai neužtektų vietos kaupti energiją baterijų pavidalu.“
Bet sukurti galinčią tai atlikti dirbtinę sistemą tikrai nėra lengva. Augalai savo biocheminę magiją atlieka, paimdami vandenį ir šviesos energija suskaidydami jį į deguonį, elektronus ir krūvį turinčius vandenilio jonus, familiariau – protonus. Tada šie protonai ir elektronai sujungiami su iš oro paimamu anglies dvideginiu ir suformuojami cukrūs. Visai šiai subtiliai molekulinei choreografijai diriguoja sudėtingos architektūros biomolekulės.
Subtilus šokis
Bandant atkartoti šią savybę, D.Noceris nuveikė daugiausia iš visų. 2011 metais jis pademonstravo vieną iš geriausių dirbtinio lapo sistemų. Jos dizainas paprastas, o komponentai – nebrangūs. Tiesą sakant, viskas labiau primena šviesiai pilką pašto ženklą nei lapą, tai yra silicio plokštelė, impregnuota katalizatoriais. Bet ji išties gali elgtis kaip lapas. Pamerkite į vandenį, ir pradės formuotis deguonies ir vandenilio burbuliukai. Svarbiausia čia – vandenilis. Tai yra kuras, kurį galima kaupti balionuose arba kuro elementuose, prisireikus galinčiuose vėl paversti jį elektra.
D.Nocerio pastangos įspūdingos, tačiau energetikos revoliucijai jų nepakanka. Vandenilis gal ir kuras, bet svajonės apie vandenilio ekonomiką sklando jau ne vienerius metus ir šia kryptimi progresas užstrigo. Iš dalies taip yra todėl, kad vandenilį elektra verčiantiems kuro elementams reikia katalizatorių iš tauriųjų metalų, tokių, kaip platina. O be to, visuomenė jau turi išplėtotą skystų angliavandenilinių degalų infrastruktūrą. Vandenilis čia jaustųsi ne savo batuose.
Augalams tokių problemų nekyla, kadangi jie surinktą energiją kaupia kaip cukrus – kurą, kurį jie gali sunaudoti patys. Būtų šaunu, jei dirbtiniai lapai galėtų atlikti ką nors panašaus – gaminti kurą, tinkantį mūsų infrastruktūrai. Toks biokuras degdamas išskirtų anglies dvideginį, bet kadangi dirbtinis lapas prieš tai jau būtų jį susiurbęs, emisijų praktiškai nebūtų. Tačiau paskutiniojo žingsnio taip ir nepavyksta žengti. „Gerai žinome, kaip paversti šviesos energiją elektra,“ sako Moore'as. „Bet Saulės energijos paversti anglies turinčiu kuru nemokame.“
Taigi, atsirado nauja idėja. Augalai yra nepralenkiami biocheminės kuro sintezės meistrai. Bet žmonių technologija juos gerokai lenkia elektronų išgavimo našumu. Gal būtų įmanoma šias dvi srits sujungti ir sukurti tubokiborgišką fotosintezės versiją?
D. Noceris vienas iš pirmųjų ėmėsi šios minties gvildenimo. Drauge su bioinžiniere Pamela Silver iš Harvardo, jis pradėjo nuo 2011 metų vandenį skaidančio ir vandenilį gaminančio dirbinio lapo sujungimo su dirvos bakterijomis Ralstonia eutropha. Bakterijos maitinosi vandeniliu, maišė jį su anglies dvideginiu ir išskyrė biokurą. Silverio laboratorijoje bakterijos genomas buvo pakoreguotas, kad jos gamintų įvairų skysto alkoholio kurą.
Sistema veikė, bet tik vos vos. D. Nocerio sukurti vandenilį gaminantys katalizatoriai tuo pačiu gamino ir itin aktyvius deguonies atomus, o šie tokie reaktyvūs, kad trukdė bakterijų biocheminiams procesams ir po valandos visos bakterijos žūdavo. Bet pernai publikuotame darbe D. Nocerio komanda pristatė naują, su mikrobais gražiai žaidžiantį katalizatorių. Be to, gautas bioninis lapas pigesnis už ankstenį variantą ir itin efektyvus. Į kurą jis kovertavo net 10 procentų šviesos energijos.
Tai buvo šaunus pasiekimas, bet ne išskirtinis. P.Yangas jau buvo pradėjęs eksperimentus su mikrobais ir elektra, ir jis norėjo žengti dar toliau – mikrobus maitinti ne vandeniliu, o grynais elektronais.
„Prieš 10 metų mokslo bendruomenė nemanė, kad toks dalykas iš viso įmanomas,“ sako T.Moore'as. Bet neseniai išsiaiškinome, kad kai kurios bakterijos gamtoje maitinasi gryna elektra, tiesiog rydami elektronus. Taip pat jau žinome, kad geobacteriniai mikrobai gali vartoti elektronus ir panaudoti juos cheminėms reakcijoms. Bet P.Yangas norėjo atlikti visai ką kita.
