Biyonik Yaprak Güneş Işığı, Su ve Havadan Yakıt Üretiyor

Kimya ve sentetik biyolojiyi bir araya getiren yeni bir cihaz, yenilebilir yakıt ve hatta kimyasallar oluşturmaya, küresel ısınmayla savaşa karşı kilit bir unsur olabilir – Scientific American

Bir ağacın yaprağı, çim, bir alg hücresi. Hepsi su, güneş ışığı ve karbondioksidin basit karışımından fotosentezin harikalarıyla yakıt üretebilir. Bilim insanları şimdi aynı taktiği kopyalayarak ve geliştirerek kimya ile biyolojiyi bir “biyonik yaprak”ta birleştirdiklerini söylüyorlar.

Harvard Üniversitesi’nden kimyager Daniel Nocera ve ekibi ile Harvard Üniversitesi Tıp Fakültesi’nden sentetik biyolog Pamela Silver ve ekibi, bir nevi canlı bir pil yapmak için güçlerini birleştirdiler. Biyoloji ve teknolojiyi harmanlayan yapısı nedeniyle pile biyonik yaprak diyorlar. Cihaz, suyu hidrojen ve oksijene ayrıştıracak kimyaya enerji sağlamak için fotovoltaik bir panelden gelen solar elektriği kullanıyor. Ardından da, önceden aç bırakılmış mikropları beslenmeleri üzere hidrojene ekliyor ve karbondioksidi alkollü yakıtın havasına katıyor. Ekibin ilk yapay fotosentez aleti 2015’te çıktı. Her litre su başına 216 miligram alkollü yakıt pompalıyordu. Ama sistemin suyu atomlarına ayıran kimyasını mümkün kılan nikel-molibden-çinko katalizörünün mikropları zehirlemek gibi talihsiz bir yan etkisi vardı.

Öyle olunca ekip daha iyi bir katalizör arayışına girdi. Canlı organizmalarla iyi geçinebilen ve suyu verimli bir şekilde atomlarına ayrıştırabilen bir katalizör. Ekibin 2 Haziran’da Science’a anlattığına göre, çareyi kobalt ve fosforun bir alaşımında bulmuşlar. Halihazırda bataryalardan devre kartlarına her şeyin içinde bulunan plastik ve metal parçaların kaplamasında kullanılan bir karışım. Bu yeni katalizör, az bir şarjla, su, kobalt ve fosfat çözeltisinden kendini oluşturabilir. Sudaki fosfat, biyonik yaprağın arka yarısını tamamlayan Ralstonia eutropha gibi canlılar için iyi bile. Bu çözelti aracılığıyla bir fotovoltaik cihazdan yüksek bir voltajda elektrik geçirin, suyu atomlarına ayıracaktır. Voltaj, kobaltı çözeltiden çökeltmek ve kobalt fosfat katalizörü oluşturmak üzere indüklemek için gerekenden de fazla. Bu da, biyonik yaprak çalışırken her zaman katalizörü indüklemeye yetecek elektron olduğu ve dolayısıyla mikropları zehirleyecek ya da biyonik yaprağın su kırma işlemini sekteye uğratacak metal kalmadığı anlamına geliyor. “Katalizör, çalıştığı sürece tükenemez.” diyor ve yeni yapay yaprağın aralıksız 16 gün çalışabildiğini belirtiyor Nocera.

Ayrıca, yeni kobalt katalizörü, suyu hidrojen ve oksijene ayrıştırırken DNA ya da diğer hayati faaliyetlere zarar veren reaktif oksijen molekülleri oluşturmuyor. “Neden olduğunu henüz bilmiyorum, öğrenmek eğlenceli olacak.” diyor Nocera.

Ekip, biyonik yapraktaki yeni katalizörle izopropanol ve izobütanol gibi alkollü yakıtların üretim verimi yaklaşık %10 artırdı. Bir diğer deyişle, harcanan her kilovat-saat elektrik başına, mikroplar 60 gram izopropanollü yakıt elde etmek için 230.000 litre havadan 130 gram CO₂‘yi temizleyebiliyor. Su, güneş ışığı ve havayı enerji deposuna çevirmede doğal fotosentezden daha bile verimli.

Ve Ralstonia eutropha‘nın başka şeyler üretmek için kullanılamayacağını düşünmemiz için hiç bir sebep yok. Mesela fosil yakıtlarda bulunan kompleks hidrokarbonlar ya da gübre gibi şu an çevreyi kirleterek elde ettiğimiz pek çok kimyasal. “Tek besin kaynağı olarak hidrojen yiyen böcekleriniz var, hidrojen de güneş enerjisiyle atomlarına ayrılan sudan geliyor. Yani, yenilenebilir böcekleriniz ve onlara istediğinizi yaptırabilmenizi sağlayan sentetik biyolojiniz var.” diyor Nocera. “Yenilenebilir bir kimya endüstrisi düşünmeye başlayabilirsiniz.”  Science’a bildirdiğine göre, hibrit ekibimiz Ralstonia eutropha‘nın, eninde sonunda plastiğe dönüştürülebilecek bir molekül oluşturmasını sağlamış.

Temel fikir, yanmayı geri çevirmek ve kalan fosil yakıtı yakarak –CO₂ atmosferde birikir- yenilenebilir yakıt oluşturmak. Tıpkı bitkilerin yaptığı gibi. Tabii biyonik yaprak yakın zamanda fosil yakıtlarla fiyat açısından yarışamayacak. En çok da mikroplar az zamanda çok yakıt yapamadığı için. Bugüne kadarki en büyük biyonik yaprak bir litrelik bir çanağın içinde. Ama ekip daha büyük yapamamak için bir limit keşfetmiş de değil.

Bu yeni biyoreaktör, havadaki fazla CO₂’den yakıt dokuyarak hem modern enerjiye erişimi olmayan insanlara daha temiz yakıt ulaştırabilir hem de gezegenin ısınmasına yol açan kirliliklerin azalmasında rol oynayabilir. “Bu arka bahçenizde yapabileceğiniz bilim. Milyarlarca dolarlık koca bir altyapıya ihtiyacınız yok.” diyor Nocera.

“Biyolojik teknolojiyle organik kimyayı entegre edip her iki dünyanın da en iyi yönlerini alarak ileriye doğru çok güçlü bir yol açtık.” diye ekliyor. “Hava artı güneş ışığı artı suyu alıyorum ve bir şeyler yaratıyorum, ve bunu doğadan 10 kat daha iyi yapıyorum. Bu beni iyi hissettiriyor.”