Brandstoffen maken uit zonlicht en CO2

Planten zou je kunnen zien als kleine chemische fabrieken, die via fotosynthese chemische stoffen produceren. Als we fotosynthese kunnen nabootsen in een kunstmatig systeem, kunnen we schone brandstoffen en materialen maken uit zonlicht en CO2. Huub de Groot is heel dicht bij het ontwerpen van zo’n systeem.

Zonne-energie is veruit de belangrijkste energiebron van de aarde. Planten leggen de energie uit zonlicht middels fotosynthese vast in suikers, die ze gebruiken om te leven en te groeien. Om preciezer te zijn: planten halen CO₂-moleculen uit de lucht, en vangen met hun chlorofyl, of bladgroen, zonlicht op. Met behulp van de zonne-energie zetten ze water en CO₂ om in zuurstof en suikers. Een plant is dus eigenlijk een kleine chemische fabriek. Al een tijd geleden bedachten wetenschappers: als we het proces van fotosynthese kunnen nabootsen, kunnen we CO₂ uit de lucht halen om rechtstreeks nieuwe producten zoals waterstof, alcohol of ethyleen te maken met zonlicht, zonder tussenkomst van aardolie of biomassa. Dat is een volledig schone, duurzame manier om brandstoffen en basismaterialen te produceren.

Huub de Groot is tevens coördinator van SUNRISE, een Europees onderzoeksprogramma dat streeft naar productie van duurzame brandstoffen en chemicaliën voor grondstoffen tegen betaalbare materiaal- en landgebruikskosten, met zonlicht als enige energiebron. Dit omvat onderzoek naar CO2-fixatie en de omzetting van atmosferische CO2 en stikstof in waardevolle producten. De EU noemt het proces een potentiële 'game changer in de strijd tegen klimaatverandering.'

Streven naar hoge efficiëntie

De onderzoeksgroep van Huub de Groot doet al sinds de jaren 90 fundamenteel onderzoek om het proces van fotosynthese tot in de kleinste details te begrijpen, na te bootsen en te verfijnen. Dat laatste is zeer belangrijk. Planten zijn namelijk niet erg efficiënt in hun gebruik van energiebronnen: ze laten een groot deel van het opgevangen licht onbenut. De Groot streeft naar een kunstmatig fotosynthese-proces waarbij 70 procent van het inkomende licht opgevangen én benut wordt voor het maken van producten. ‘Als dat lukt’, zegt De Groot, ‘zouden we in Europa via kunstmatige fotosynthese-systemen maximaal 2500 ton CO₂ per hectare per jaar uit de lucht kunnen halen. Dat is een enorm hoge omzetting. Per hectare zou je bovendien dan bijvoorbeeld honderden tonnen alcohol per jaar produceren.’

Inmiddels is het de onderzoeksgroep van De Groot gelukt om het proces van natuurlijke fotosynthese met behulp van magic angle spinning NMR spectroscopie en computersimulaties in kaart te brengen. Een belangrijke stap bij het ontrafelen van fotosynthese was het vinden van een organisme met chlorofyl antennesysteem dat licht opvangt, maar dan zonder eiwitten erin. Eiwitten zijn zeer vaak nodig om het chlorofyl te optimaliseren voor fotosynthese, maar eiwitten worden ook gecodeerd door DNA. “Bij het bestuderen van fotosynthese eiwitsystemen weet je dan niet zeker of je naar een elementair onderliggend fysisch-chemisch principe of naar een effect van het DNA zit te kijken’, legt De Groot uit. Planten bevatten eiwitten, en waren dus niet ideaal als studieobject om de ‘pure’ fotosynthese in af te kijken. Maar al in de jaren ’90 vond de onderzoeksgroep een ander systeem: zogeheten chlorosomen. Dit zijn organellen die licht opvangen en voorkomen in groene bacteriën die op de bodem van plassen en zeeën leven. Ook deze bacteriën gebruiken fotosynthese om moleculen te bouwen, maar dan zonder eiwit.

Zuurstofproducerende fotosynthetische organismen

Moleculaire dans

In deze ‘eiwit-vrije’ omgeving namen ze waar dat de moleculen die betrokken zijn bij fotosynthese, een soort dans ondergaan. ‘Wat er als voorbereiding op de fotosynthese gebeurt: moleculen staan te trillen en die trillingen zorgen ervoor dat de energieniveaus van de moleculen elkaar gaan “kruisen”. Als twee energieniveaus in dezelfde ruimte elkaar kruisen, ontstaan er zogeheten kwantuminstabiliteiten. Deze zorgen ervoor dat transport van energie en reacties snel verlopen, doordat je een hele snelle route hebt van je begintoestand naar je eindproduct. De reactie gaat ook niet meer terug. Je maakt een soort lek, een kanaaltje in het systeem waardoor de energie precies de kant op gaat die je wilt. Dit is het Goldilocks-effect: het systeem zoekt zelf de trilling uit die de meeste kans geeft voor het lek om energie over te brengen voor een reactie.’ De chlorosomen bieden bovendien een prachtige basis voor het ontwerp van kunstmatige lichtantennes, zo ontdekte De Groot samen met een team van onderzoekers uit Groningen en het buitenland.

Met het in kaart brengen van de moleculaire dans en de vondst van de chlorosomen als basis voor een kunstmatig systeem, is er een reuzenstap gezet in de ontwikkeling van kunstmatige fotosynthese. Tegelijkertijd moeten er nog belangrijke dingen gebeuren voordat kunstmatige systemen gebruiksklaar zijn. Zo moeten er partijen komen die het systemen daadwerkelijk willen bouwen. Om dat interessant te maken, moet zo’n systeem bovendien goedkoop genoeg zijn om te concurreren in de energiemarkt. Daarnaast moet er nog een oplossing worden gevonden voor de overtollige CO₂ die je met de fotosynthese uit de lucht haalt; hoe sla je die op of gebruik je die?

Het fundamentele onderzoek is nog gaande. De Groot is bijvoorbeeld in gesprek met een bedrijf om de computermodellen, die de moleculaire dans weergeven, te laten verfijnen. Ondertussen maakt hij ook stappen om de opgedane kennis om te laten zetten in fysieke systemen.