Konstgjord Fotosyntes

Nedanstående innehåll är skapat av Mimers Brunns besökare. Kommentera arbete

En dröm är att på konstgjord väg göra fotosyntes, som på ett effektivt sätt omvandlar solljus till användbara bränslen, som t ex vätgas. Fotosyntesen är basen för allt liv på jorden.
Syftet är att härma delar av fotosyntesen hos gröna växter.
I stora, konstgjorda molekylära system försöker man använda naturens principer att med ljus föra över elektroner mellan molekyler och att använda dessa för att skapa energirika ämnen.
Vatten är en ren och lätt tillgänglig elektronkälla och är därför av intresse också för konstgjord fotosyntes.
Våra vanligaste bränslen, de fossila bränslena olja, kol och gas, är oändliga och kommer en gång att ta slut. Dessutom ge de upphov till växthuseffekten och vi har kanske bara sett början på den. Växthuseffekten beror ju på att det bildas koldioxid när olja och kol förbränns i väldiga mängder.

En energiform som inte spelar någon större roll idag är solenergi och att använda den outtömliga solenergin mer direkt är en av sätten.
Väldiga mängder solenergi finns bundna som fossila bränslen i kol, olja och gas eller som ved och biomassa i skogar och natur. Allt detta har bildats av växter som omvandlat solenergi åt oss. Vi vet redan hur man skall bränna upp dessa olika bränslen och man kan möjligen förbättra det ytterligare något lite. Vi får inte mer fossila bränslen än de som finns, och biomassaproduktionen kan inte ökas i det oändliga.
Solenergi är en viktig energikälla på många ställen. Den kan också användas för uppvärmning.
På vintern har vi ingen sol. Men då behöver vi mycket energi för att värma hus, för att lysa upp o s v. Tyvärr är det svårt att lagra elektricitet från solceller, skall man göra det måste man gå kostsamma omvägar. Istället behöver vi utveckla ett sätt att lagra solenergi från sommar till vinter. Att direkt göra ett bränsle baserat på solenergi på sommaren som kan användas när vi vill. Jorden är en enda grönt kraftverk men en ofattbar kapacitet. Varje år produceras 200miljarder ton biomassa. Om man tar hänsyn till att växterna också måste lagra energi för sin egen tillväxt blir den totala energiproduktionen upp mot 10miljoner terawattimmar eller vad 10miljoner kärnkraftverk av Barsebäcks storlek skulle kunna producera.

Fotosyntes
Växterna kan bilda ved och annan biomassa under växtsäsongen. Sedan kan veden lagras, flyttas och användas när den behövs. Denna process kallas fotosyntesen och i fotosyntesen fångar växterna först in solenergi som sedan omvandlas till kemisk energi, och till sist förädlas till energiprodukter. Växterna utgår från oändliga, förnybara råvaror –vatten, solenergi och luftens koldioxid.



Superkemikalie
Det är lättare att säga att man skall göra bränsle, från vatten och solenergi, än att göra det.
Om man med kemisk syntes framställer en superkemikalie som kan utföra nyckelreaktionerna och sedan sätta denna i en apparat. Nyckeln är att fånga in solenergin och omvandla den till kemisk energi som kan utnyttjas av växterna.
För att detta skall fungera så måste en sådan superkemikalie kunna:

1. Fånga in solljuset.
2. Göra något med solenergin, solenergin måste omvandlas till kemisk energi
3. Utnyttja den kemiska energin för att bilda ett bränsle
4. Utnyttja vatten som det finns mycket av som utgångsämne för detta bränsle


Klorofyll eller Rutenium
I ett träd med ca 200 000 löv kan klorofyllet väga sammanlagt ungefär 100-150g. En sådan träds klorofyll fångar in så mycket solenergi att det bildar ca 12kg kolhydrater varje dag, dessutom bildar trädet livgivande syre som räcker till fem personer. När klorofyll träffas av ljus avger den negativt laddade elektroner. Man kan använda en jordmetall, Rutenium, som ersättning för klorofyll.



Manganmolekylerna utvinner elektroner ur vatten och ersätter de elektroner som ruteniet avger. Den första artificiella molekyl där ett mangankomplex fungerar som elektron givare till ett ruteniumkomplex i en ljusreaktion. Ruteniumkomplexet absorberar ljus, skickar iväg en elektron till en annan molekyl (en viologen), och tar tillbaks en elektron från manganet.


Fotosystem II
Det finns olika sorters fotosyntetiska reaktionscenter i naturen. I de gröna växterna finns det två olika typer som kallas Fotosystem I och Fotosystem II.
Den ojämförligt mest framgångsrika i hela naturen är Fotosystem II som är en biologisk maskin. Det är ett stort enzym som är uppbyggt av många olika delproteiner som arbetar tillsammans. Dessa proteiner transporteras till Fotosystem II:s kärna där kommer en komponent, som heter Pigment 680, att bli mycket energirikt.


Från solenergi till kemisk energi
När elektronen bryts loss blir Pigment 680 plusladdad och när den anländer till Fotosystem II:s kärna blir den minusladdad. Alltså finns det en plusladdning på Pigment 680 på ena sidan membranet och minusladdning på andra. Plus och minus har separerats, därför kallas det laddningsseparation. Laddningsseparation är naturens viktigaste reaktion, det är bara där solenergi omvandlas till kemisk energi. Arbetet är att elektronen förs vidare och till slut hamnar den i luftens koldioxid som omvandlas till kolhydrater, ved och alla de ämnen som växter innehåller som kan brännas eller ätas.


Hur tas elektronerna från vatten?
Fotosyntes II kan använda rent vatten som utgångsämne. När en elektron skickas iväg och Pigment 680 blivit plusladdad så måste den plusladdade Pigment 680 få tillbaka en ny elektron för att kunna ta åt sig ny solenergi och kunna starta om på nytt. Källan för dessa elektroner är avgörande och Fotosystem II kan ta dem från vatten. Det är svårt att ta elektroner från vatten eftersom vatten är ett väldigt stabilt ämne. Det går inte att ta elektroner en och en från vatten, istället plockas fyra elektroner samtidigt från två vattenmolekyler och kvar blir en syreatom och fyra stycken H+ (protoner).


Konstgjord fotosyntes i framtiden
Så här kan konstgjord ...