Tässä blogikirjoituksessa tarkastelemme, miten keinotekoinen fotosynteesi hyödyntää aurinkoenergiaa samanaikaisesti energian ehtymisen ja ympäristön saastumisen ongelmien lieventämiseksi, ja tarjoamme yksityiskohtaisen katsauksen uusimman tutkimuksen tarjoamiin teknisiin mahdollisuuksiin.
Voivatko runsas energia ja puhdas ympäristö todella esiintyä rinnakkain? Energiantuotantoprosessissa syntyy erilaisia ympäristön saastumisen muotoja. Resurssien polttamisessa vapautuvat kaasut aiheuttavat ilmansaasteita ja ilmaston lämpenemistä, kun taas tiettyjen energialähteiden, kuten liuskekaasun, prosessoinnissa syntyvät aineet johtavat monimutkaiseen ympäristön saastumiseen, mukaan lukien veden ja maaperän saastuminen. Lisäksi energiavarojen ehtyminen on noussut vakavaksi ongelmaksi. Vaikka maailmanlaajuinen energian kysyntä kasvaa vuosittain, tärkeimmillä energialähteillä, kuten hiilellä, öljyllä ja maakaasulla, on rajalliset varannot ja ne ehtyvät vähitellen. Tämän energiavarojen ehtymisongelman ratkaisemiseksi maailma on pyrkinyt kehittämään uusia maanalaisia varoja, kuten edellä mainittua liuskekaasua. On kuitenkin käymässä selväksi, että tämäkään ei voi toimia perustavanlaatuisena ratkaisuna varantojen rajallisuuden vuoksi.
Keinona ratkaista samanaikaisesti sekä energian rajallisuuden että ympäristön saastumisen kaksoishaasteita, voimme harkita aurinkoenergian hyödyntämistä, joka on käytännössä rajaton resurssi käytettävissämme. Keinotekoinen fotosynteesi on herättänyt huomiota paitsi kyvystään tuottaa käyttökelpoista energiaa aurinkoenergiasta, myös kyvystään syntetisoida erilaisia korkean jalostusarvon materiaaleja ympäristöystävällisellä tavalla. Lisäksi, aivan kuten luonnollinen fotosynteesi, se sitoo hiilidioksidia materiaalien tai energian tuotantoprosessin aikana, mikä edistää ilmaston lämpenemisen hillitsemistä. Tehokkuuteen ja taloudelliseen kannattavuuteen liittyvien esteiden ylittämisen rajoitusten vuoksi käytännön soveltaminen on kuitenkin ollut vaikeaa, ja siksi keinotekoisen fotosynteesin on täytynyt pysyä jonkin aikaa kokeellisessa vaiheessa tai teoreettisen keskustelun tasolla. Viime aikoina maailmanlaajuisesti syntyneiden merkittävien tutkimustulosten myötä tie kohti kaupallistamista on kuitenkin vähitellen avautumassa. Ennen kuin tutkimme keinotekoisen fotosynteesin kehitysprosessia, ymmärrämme ensin sen periaatteet ja tarkastelemme sitten teknologian nykytilaa kahden edustavan tutkimustapauksen avulla.
Kuten nimestä voi päätellä, keinotekoinen fotosynteesi on prosessi, joka jäljittelee luonnollista fotosynteesiä ja tuottaa keinotekoisesti aineita. Siksi keinotekoisen fotosynteesin ymmärtämiseksi on ensin ymmärrettävä luonnollisen fotosynteesin periaatteet. Luonnollinen fotosynteesi on prosessi, jossa kasvit ja tietyt organismit käyttävät valoenergiaa syntetisoidakseen elämälle välttämättömiä aineita; pohjimmiltaan se käyttää hiilidioksidia ja vettä glukoosin ja hapen tuottamiseen. Tämä prosessi koostuu kahdesta vaiheesta: valoreaktiosta ja pimeäreaktiosta. Valoreaktio tapahtuu viherhiukkasten tylakoidikalvossa ja se jaetaan veden fotolyysiin ja fotofosforylaatioreaktioon. Veden fotolyysissä vesi hajoaa elektronien, vetyionien ja hapen tuottamiseksi, kun taas fotofosforylaatioreaktio tuottaa pääasiassa ATP:tä ja NADPH2:ta, jotka ovat välttämättömiä pimeäreaktiolle. Koska molemmat reaktiot ovat riippuvaisia klorofyllin absorboimasta valoenergiasta, valoreaktio ei tapahdu ilman valoa. Pimeäreaktio tapahtuu viherhiukkasten stroomassa, jossa valoreaktion aikana tuotettuja ATP:tä ja NADPH2:ta käytetään glukoosin syntetisointiin hiilidioksidista Calvinin syklin kautta.
Keinotekoinen fotosynteesi etenee myös samalla tavalla kuin luonnollinen fotosynteesi, ja yleinen prosessi on seuraava. Keinotekoisessa fotosynteesissä aurinkokennot suorittavat luonnollisen fotosynteesin valosta riippuvaa reaktiovaihetta vastaavan toiminnon. Sen sijaan, että aurinkokennot tuottaisivat sähköä, kuten on tarkoitettu, ne syntetisoivat NADPH₂:ta NADP:stä, aivan kuten luonnollisessa fotosynteesissä. Redox-entsyymejä käytetään luonnollisen fotosynteesin pimeäreaktiovaiheessa. Vaikka Calvin-sykliin osallistuu lukuisia entsyymejä, keinotekoisessa fotosynteesissä nämä monimutkaiset entsymaattiset reaktiot korvataan redox-entsyymeillä. Keinotekoinen fotosynteesi toteutetaan siis jäljittelemällä luonnollisen fotosynteesin valo- ja pimeysreaktioita ihmisen teknologian avulla; toisin kuin luonnollinen fotosynteesi, se ei kuitenkaan pysähdy tuottamaan vain happea ja glukoosia, vaan se voi tuottaa monenlaisia tuotteita ihmisen tarpeiden mukaan. Esimerkiksi keinotekoista fotosynteesiä voidaan käyttää paitsi energian varastointiin ihmiskäyttöön, myös korkean jalostusarvon kemikaalien, kuten diabeteksen tai AIDS-hoidon raaka-aineiden, valikoivaan synteesiin.
Kaikki teknologiat käyvät läpi prosessin, jossa tehokkuutta ja taloudellista kannattavuutta parannetaan jatkuvasti alkuvaiheesta kaupallistamiseen asti, eikä keinotekoinen fotosynteesi ollut poikkeus. Kuten aiemmin mainittiin, keinotekoinen fotosynteesi jaetaan energian varastointi- ja materiaalintuotantomenetelmiin lopputuotteesta riippuen. Tarkastellaan kunkin menetelmän kohtaamia haasteita ja niiden ratkaisemiseksi tehtyjä viimeaikaisia tutkimustuloksia. Ensinnäkin keinotekoisen fotosynteesin avulla tapahtuvassa energian varastointimenetelmässä nousi esiin kysymyksiä energian muuntamisen tehokkuudesta. Kun vetyä tuotetaan keinotekoisella fotosynteesillä, se on varastoitava ja kuljetettava käyttökelpoisessa energiamuodossa. Koska vety on kuitenkin erittäin kevyttä ja epävakaata, tarvittiin laite, joka kykenee absorboimaan sitä vakaasti ja tehokkaasti. Aiemmin käytettiin bakteereja, jotka absorboivat vetyä ja varastoivat sitä hiilivetypohjaisina aineina; nämä järjestelmät pystyivät kuitenkin varastoimaan vain noin 1 % syötetystä energiasta, mikä jäi kauas kaupallistamisen vertailuarvona pidetystä noin 10 %:n hyötysuhteesta. Kesäkuussa 2016 Harvardin yliopiston tutkimusryhmä onnistui kuitenkin nostamaan energian muuntamisen hyötysuhteen noin 10 prosenttiin muokkaamalla bakteereja geenitekniikalla niiden vedyn absorptionopeuden lisäämiseksi ja kehittämällä uuden katalyytin, joka mahdollisti näiden bakteerien selviytymisen vakaasti. Tämä tutkimus oli merkittävä virstanpylväs keinotekoista fotosynteesiä käyttävien energian varastointimenetelmien kaupallistamisvaiheeseen viemisessä. Myöhemmät tutkimukset 2020-luvun lopulla ovat raportoineet tällä teknologialla saavutetuista 12–15 prosentin hyötysuhteista, mikä osoittaa entisestään keinotekoiseen fotosynteesiin perustuvien vedyn tuotanto- ja varastointiteknologioiden potentiaalin. Koska teolliset sovellukset edellyttävät kuitenkin vielä lisätodentamista ja teknisiä parannuksia – kuten pitkän aikavälin toiminnan vakautta, skaalautuvuutta laajamittaisiin järjestelmiin ja kontaminaationkestävyyttä – kaupallistaminen on tällä hetkellä asteittaisen mutta tasaisen edistymisen vaiheessa.
Seuraavaksi, keinotekoisen fotosynteesin avulla tuotettaviin korkean jalostusarvon materiaaleihin liittyvissä menetelmissä, vedenjakavien katalyyttien tehokkuus ja kustannustehokkuus ovat nousseet keskeisiksi haasteiksi. Vaikka vedenjakamisvaihe on välttämätön korkean jalostusarvon kemikaalien tuottamiseksi vedestä ja hiilidioksidista, tämä prosessi vaatii merkittävästi energiaa. Siksi katalyyttejä käytetään energiankulutuksen vähentämiseksi, mutta kaupallisen kannattavuuden varmistamiseksi on saavutettava samanaikaisesti sekä alhaiset kustannukset että korkea suorituskyky. Halvat katalyytit kärsivät kuitenkin heikosta suorituskyvystä, kun taas korkean suorituskyvyn katalyytit olivat kohtuuttoman kalliita, mikä heikensi jatkuvasti taloudellista kannattavuutta. Tästä syystä kemikaalien tuotantomenetelmä keinotekoisen fotosynteesin avulla pysyi pitkään teoreettisten mahdollisuuksien varassa. Sitten syyskuussa 2017 uutisoitiin, että Korean tiede- ja teknologiainstituutin (KIST) tutkimusryhmä oli kehittänyt keinotekoisen fotosynteesikatalyytin, joka oli sekä edullinen että tehokas. Tiimi syntetisoi nikkelioksihydroksidi-nimisen katalyytin käyttämällä ruostumattomasta teräksestä valmistettuja komponentteja. Se ei ainoastaan kykene massatuotantoon yksinkertaisen prosessin avulla, vaan se saavuttaa myös 20–30 prosentin tehokkuuden kasvun olemassa oleviin katalyytteihin verrattuna, mikä samanaikaisesti ratkaisee vedenjakamiseen tarkoitettujen katalyyttien tehokkuus- ja kustannustehokkuusongelmat. 2020-luvun lopulta lähtien keinotekoiseen fotosynteesiin liittyvä tutkimus – mukaan lukien edulliset metallipohjaiset katalyytit, fotoelektrokemialliset puolijohdemateriaalit ja hiilivarojen hyödyntämisteknologiat – on laajentunut nopeasti maailmanlaajuisesti, mikä lisää entisestään kaupallistamispotentiaalia.
Yhteenvetona voidaan todeta, että keinotekoinen fotosynteesiteknologia – joka jäljittelee luonnollista fotosynteesiä energian ja materiaalien tuottamiseksi ihmisille – on lähestymässä kaupallistamista, sillä viimeaikainen aktiivinen tutkimus on parantanut sen tehokkuutta ja taloudellista kannattavuutta. Vaikka joitakin saavutuksia voidaan pitää kaupallisesti kannattavina kokonaistehokkuuden kannalta, koko keinotekoisen fotosynteesiprosessin ajan on edelleen erillisiä haasteita massatuotannon ja kustannusten vähentämisen suhteen, aiemmin mainitun veden hajottamisen lisäksi. Keinotekoisen fotosynteesin energiatehokkuuden nostaminen noin 1 prosentista 10 prosenttiin on epäilemättä merkittävä edistysaskel. Kun otetaan kuitenkin huomioon, että luonnollisen fotosynteesin energianmuunnostehokkuus ylittää 40 prosenttia, keinotekoisen fotosynteesin tehokkuuden odotetaan paranevan entisestään tulevaisuudessa. Keinotekoisella fotosynteesillä on selvä etu, että se muuntaa aurinkoenergian – lähes rajattoman luonnonvaran – muotoon, jota ihmiset voivat hyödyntää ympäristöystävällisellä tavalla. Jos pystymme paitsi parantamaan energiatehokkuutta myös perustamaan massatuotantojärjestelmiä ja vähentämään kustannuksia, pystymme merkittävästi parantamaan ihmiskunnan nykyistä kohtaamaa maailmanlaajuista energian ehtymiskriisiä ja energiantuotannon aiheuttamaa ympäristön saastumista. Lisäksi, koska keinotekoinen fotosynteesi mahdollistaa paitsi energiantuotannon myös erilaisten korkean jalostusarvon kemikaalien valikoivan tuotannon, sen odotetaan vakiintuvan keskeiseksi teknologiaksi, joka parantaa entisestään ihmisten elämänlaatua eri teollisuudenaloilla, mukaan lukien lääkekehitys.
