Se a fonte de energia mais inteligente for abundante, barata e limpa, então as plantas são muito mais inteligentes que os humanos. Ao longo de milhares de milhões de anos, desenvolveram talvez a fonte de energia mais eficiente do mundo: a fotossíntese. Como funciona a fotossíntese ? É a conversão da luz solar, dióxido de carbono e água em combustível utilizável, emitindo oxigênio útil no processo.
Usando nada além da luz solar como fonte de energia, as plantas realizam conversões massivas de energia, transformando 1.102 bilhões de toneladas (1.000 bilhões de toneladas métricas) de CO 2 em matéria orgânica, ou seja, energia para animais na forma de alimento, todos os anos [fonte: Hunter] . E isso usa apenas 3% da luz solar que chega à Terra [fonte: Boyd].
No caso das plantas (assim como das algas e algumas bactérias), o “combustível utilizável” são os carboidratos, proteínas e gorduras. Os humanos, por outro lado, procuram combustível líquido para alimentar os carros e eletricidade para fazer funcionar os frigoríficos. Mas isso não significa que não possamos recorrer à fotossíntese para resolver os nossos problemas energéticos sujos, caros e cada vez mais escassos. Durante anos, os cientistas têm tentado encontrar uma forma de utilizar o mesmo sistema energético que as plantas utilizam, mas com uma produção final alterada.
Neste artigo, veremos a fotossíntese artificial e veremos até onde ela chegou. Descobriremos o que o sistema deve ser capaz de fazer, verificaremos alguns métodos atuais para alcançar a fotossíntese artificial e veremos por que não é tão fácil de projetar como alguns outros sistemas de conversão de energia.
Conteúdo
- Como funciona a fotossíntese
- O Sol como recurso
- Abordagens de fotossíntese artificial
- Aplicações de fotossíntese artificial
- Desafios na criação de fotossíntese artificial
Como funciona a fotossíntese
A fotossíntese é um processo notável que permite que plantas verdes, algas e algumas bactérias convertam dióxido de carbono e energia luminosa em energia química. Este intrincado processo bioquímico desempenha um papel vital na sustentação da vida na Terra, fornecendo oxigênio e sendo a base para as cadeias alimentares.
Reação Dependente de Luz
As reações dependentes da luz são a fase da fotossíntese onde a energia solar capturada se transforma em energia química.
O processo começa quando as moléculas de clorofila, localizadas nos cloroplastos das células vegetais, absorvem a energia luminosa do sol. Esta energia absorvida divide as moléculas de água (H 2 O) em oxigênio (O 2 ), íons de hidrogênio (H+) e elétrons (e-).
A energia da luz absorvida é então usada para criar duas moléculas essenciais : trifosfato de adenosina (ATP) e fosfato de dinucleotídeo de nicotinamida adenina (NADPH). Estas moléculas armazenam e transportam a energia necessária para a próxima fase da fotossíntese: a reação independente da luz.
O Ciclo de Calvin
Nas reações independentes da luz, também conhecidas como ciclo de Calvin, a energia química armazenada no ATP e no NADPH é usada para fixar dióxido de carbono (CO 2 ) em compostos orgânicos. Com a fixação de carbono, seis moléculas de dióxido de carbono (CO 2 ) são capturadas da atmosfera e combinadas com uma molécula de açúcar de cinco carbonos (RuBP) para formar compostos de três carbonos (3-PGA).
Esses compostos de três carbonos passam por uma série de reações químicas facilitadas por enzimas, consumindo ATP e NADPH no processo. Isso leva à formação da molécula de açúcar gliceraldeído-3-fosfato (G3P).
Algumas das moléculas G3P produzem glicose e outros carboidratos, servindo como fonte de energia para a planta e são essenciais para o crescimento e a reprodução. Para sustentar o ciclo de Calvin, algumas das moléculas G3P regeneram RuBP. Esta etapa garante um fornecimento contínuo de compostos de três carbonos para maior fixação de carbono.
O Sol como recurso
A energia disponível na luz solar é um recurso inexplorado que apenas começamos a controlar. A tecnologia atual de células fotovoltaicas, normalmente um sistema baseado em semicondutores, é cara, não muito eficiente e só faz conversões instantâneas de luz solar em eletricidade – a produção de energia não é armazenada para um dia chuvoso (embora isso possa estar mudando: consulte ” É Existe uma maneira de obter energia solar à noite ?”).
Mas um sistema de fotossíntese artificial ou uma célula fotoelectroquímica que imite o que acontece nas plantas poderia potencialmente criar um fornecimento infinito e relativamente barato de todo o “gás” limpo e electricidade de que necessitamos para alimentar as nossas vidas – e também numa forma armazenável.
Abordagens de fotossíntese artificial
Para recriar a fotossíntese que as plantas aperfeiçoaram, um sistema de conversão de energia tem de ser capaz de fazer duas coisas cruciais (provavelmente dentro de algum tipo de nanotubo que funciona como “folha” estrutural): colher a luz solar e dividir as moléculas de água.
As plantas realizam essas tarefas usando a clorofila, que captura a luz solar, e uma coleção de proteínas e enzimas que usam essa luz solar para quebrar as moléculas de H 2 O em hidrogênio, elétrons e oxigênio (prótons). Os elétrons e o hidrogênio são então usados para transformar o CO 2 em carboidratos e o oxigênio é expelido.
Para que um sistema artificial funcione para as necessidades humanas, o resultado tem de mudar.
Em vez de libertar apenas oxigénio no final da reacção, teria de libertar também hidrogénio líquido (ou talvez metanol). Esse hidrogênio poderia ser usado diretamente como combustível líquido ou canalizado para uma célula de combustível. Fazer com que o processo produza hidrogênio não é um problema, uma vez que ele já está presente nas moléculas de água. E capturar a luz solar não é um problema – os atuais sistemas de energia solar fazem isso.
A parte difícil é dividir as moléculas de água para obter os elétrons necessários para facilitar o processo químico que produz o hidrogênio.
A divisão da água requer uma entrada de energia de cerca de 2,5 volts [fonte: Hunter]. Isso significa que o processo requer um catalisador – algo para fazer tudo funcionar. O catalisador reage com os fótons do sol para iniciar uma reação química.
Houve avanços importantes nesta área nos últimos cinco ou dez anos. Alguns dos catalisadores de maior sucesso incluem:
- Manganês : O manganês é o catalisador encontrado no núcleo fotossintético das plantas. Um único átomo de manganês desencadeia o processo natural que utiliza a luz solar para dividir a água. Usar manganês em um sistema artificial é uma abordagem biomimética – imita diretamente a biologia encontrada nas plantas.
- Dióxido de titânio sensibilizado por corante : O dióxido de titânio (TiO 2 ) é um metal estável que pode atuar como um catalisador eficiente. É usado em uma célula solar sensibilizada por corante, também conhecida como célula Graetzel, que existe desde 1990. Numa célula Graetzel, o TiO 2 é suspenso numa camada de partículas de corante que captam a luz solar e depois a expõem ao TiO 2 para iniciar a reação.
- Óxido de cobalto : Um dos catalisadores descobertos mais recentemente, descobriu-se que aglomerados de moléculas de óxido de cobalto (CoO) de tamanho nanométrico são gatilhos estáveis e altamente eficientes em um sistema de fotossíntese artificial. O óxido de cobalto também é uma molécula muito abundante – atualmente é um catalisador industrial popular.
Uma vez aperfeiçoados, estes sistemas poderão mudar a forma como alimentamos o nosso mundo.
Aplicações de fotossíntese artificial
Os combustíveis fósseis são escassos e contribuem para a poluição e o aquecimento global. O carvão, embora abundante, é altamente poluente tanto para o corpo humano como para o ambiente. As turbinas eólicas estão a prejudicar paisagens pitorescas, o milho requer enormes extensões de terras agrícolas e a atual tecnologia de células solares é cara e ineficiente. A fotossíntese artificial poderia oferecer uma maneira nova e possivelmente ideal de sair da nossa situação energética.
Combustível que podemos armazenar
Por um lado, tem benefícios em relação às células fotovoltaicas, encontradas nos painéis solares atuais. A conversão direta da luz solar em eletricidade nas células fotovoltaicas torna a energia solar uma energia dependente do clima e do tempo, o que diminui a sua utilidade e aumenta o seu preço. A fotossíntese artificial, por outro lado, poderia produzir um combustível armazenável.
Múltiplas opções de saída
E, ao contrário da maioria dos métodos de geração de energia alternativa, a fotossíntese artificial tem potencial para produzir mais de um tipo de combustível. O processo fotossintético poderia ser ajustado para que as reações entre luz, CO 2 e H 2 O produzissem hidrogênio líquido.
O hidrogênio líquido pode ser usado como gasolina em motores movidos a hidrogênio. Também poderia ser canalizado para uma configuração de célula de combustível, o que reverteria efetivamente o processo de fotossíntese, criando eletricidade através da combinação de hidrogênio e oxigênio em água. As células de combustível de hidrogênio podem gerar eletricidade como a que obtemos da rede, então a usaríamos para ligar nosso ar condicionado e aquecedores de água.
Um problema atual com a energia do hidrogénio em grande escala é a questão de como gerar hidrogénio líquido de forma eficiente – e limpa. A fotossíntese artificial pode ser uma solução.
O metanol é outra saída possível. Em vez de emitir hidrogênio puro no processo de fotossíntese, a célula fotoeletroquímica poderia gerar metanol combustível (CH 3 OH).
O metanol, ou álcool metílico, normalmente deriva do metano do gás natural e costuma ser adicionado à gasolina comercial para fazê-la queimar de forma mais limpa. Alguns carros podem até funcionar apenas com metanol.
Ignorando subprodutos prejudiciais
A capacidade de produzir um combustível limpo sem gerar subprodutos nocivos, como gases de efeito estufa, torna a fotossíntese artificial uma fonte de energia ideal para o meio ambiente. Não exigiria mineração, cultivo ou perfuração. E uma vez que nem a água nem o dióxido de carbono são actualmente escassos, também poderá ser uma fonte ilimitada, potencialmente menos dispendiosa do que outras formas de energia a longo prazo.
Na verdade, este tipo de reação fotoeletroquímica poderia até mesmo remover grandes quantidades de CO 2 nocivo do ar no processo de produção de combustível. É uma situação ganha-ganha.
Mas ainda não chegamos lá. Existem vários obstáculos ao uso da fotossíntese artificial em grande escala.
Desafios na criação de fotossíntese artificial
Embora a fotossíntese artificial funcione em laboratório, ela não está pronta para consumo em massa. Replicar o que acontece naturalmente nas plantas verdes não é uma tarefa simples.
A eficiência é crucial na produção de energia. As plantas levaram bilhões de anos para desenvolver o processo de fotossíntese que funciona de forma eficiente para elas; replicar isso em um sistema sintético exige muitas tentativas e erros.
O manganês que atua como catalisador nas plantas não funciona tão bem em instalações artificiais, principalmente porque o manganês é um tanto instável. Não dura muito e não se dissolve na água, tornando um sistema à base de manganês um tanto ineficiente e impraticável.
O outro grande obstáculo é que a geometria molecular das plantas é extraordinariamente complexa e exata – a maioria das configurações feitas pelo homem não consegue replicar esse nível de complexidade.
A estabilidade é um problema em muitos sistemas potenciais de fotossíntese. Os catalisadores orgânicos frequentemente se degradam ou desencadeiam reações adicionais que podem danificar o funcionamento da célula. Catalisadores inorgânicos de óxido metálico são uma boa possibilidade, mas precisam funcionar rápido o suficiente para fazer uso eficiente dos fótons que entram no sistema.
Esse tipo de velocidade catalítica é difícil de encontrar. E alguns óxidos metálicos que têm velocidade faltam em outra área: abundância.
Nas células sensibilizadas por corantes de última geração, o problema não é o catalisador; em vez disso, é a solução eletrolítica que absorve os prótons das moléculas de água divididas. É uma parte essencial da célula, mas é feita de solventes voláteis que podem corroer outros componentes do sistema.
Os avanços nos últimos anos estão começando a abordar essas questões. O óxido de cobalto é um óxido metálico estável, rápido e abundante. Pesquisadores em células sensibilizadas por corantes criaram uma solução não baseada em solvente para substituir o material corrosivo.
A pesquisa em fotossíntese artificial está ganhando força, mas não sairá do laboratório tão cedo. Levará pelo menos 10 anos até que esse tipo de sistema se torne realidade [fonte: Boyd]. E essa é uma estimativa bastante esperançosa. Algumas pessoas não têm certeza se isso vai acontecer. Ainda assim, quem pode resistir à esperança de plantas artificiais que se comportem como as reais?
