Catatan blog ini mengkaji punca CO₂ atmosfera yang meningkat dengan cepat dan krisis iklim yang semakin teruk, meneroka potensi dan batasan fotosintesis buatan sebagai penyelesaian baharu yang mendapat perhatian.
CO₂ ialah bahan yang mula-mula terfikir apabila kita memikirkan isu alam sekitar seperti perubahan iklim dan pemanasan global. Mudah untuk tersilap melihat CO₂ sebagai 'bahan yang mesti dihapuskan,' tetapi lebih tepatnya, ia bukan sesuatu yang 'mesti hilang' sebaliknya bahan yang 'mesti dikurangkan ke tahap yang sesuai.' Malah, kerana wujudnya karbon dioksida, fotosintesis yang memanfaatkannya menjadi mungkin. Terima kasih kepada ini, tumbuhan menyesuaikan diri dengan persekitaran Bumi, membolehkan organisma meneruskan evolusi normal mereka berdasarkan respirasi oksigen. Idea untuk menukar karbon dioksida yang dikeluarkan oleh organisma kembali kepada nutrien adalah benar-benar bijak, dan ekosistem Bumi telah mengekalkan dirinya selama lebih satu bilion tahun melalui struktur kitaran ini. Walau bagaimanapun, 'lebihan' karbon dioksida yang mula dipancarkan oleh manusia semasa ia berkembang dan aktiviti perindustrian meletup telah mula mengganggu keseimbangan ekosistem, dan kuantitinya kini telah meningkat ke tahap yang sukar untuk diabaikan.
Saya telah memberi perhatian kepada keseriusan kepekatan CO₂ atmosfera, yang telah menjadi pusat perdebatan global sejak separuh kedua abad ke-20. Bumi secara semula jadi menyerap dan mengeluarkan sinaran suria untuk mengekalkan suhu puratanya. Fenomena di mana CO₂ menyerap sinaran yang dipancarkan, memerangkap haba dan menghalangnya daripada terlepas ke angkasa, dipanggil 'kesan rumah hijau'. Ini kini diiktiraf sebagai pemacu utama perubahan iklim baru-baru ini. Menurut data dari US National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) dan Scripps Institution of Oceanography, kepekatan CO₂ atmosfera kekal seimbang antara 170 dan 280 bahagian per juta (ppm) sepanjang 800,000 tahun yang lalu. Walau bagaimanapun, ia meningkat secara mendadak selepas perindustrian, mencapai 315 ppm dalam pengukuran pertama yang direkodkan pada tahun 1958 dan melepasi 400 ppm pada tahun 2013. Kadar peningkatan telah dipercepatkan sejak itu, dengan kepekatan CO₂ atmosfera mencecah kira-kira 421 ppm (standard Mauna Loa) menjelang 2024. Ini mewakili kira-kira 33% peningkatan berbanding 1960%. Dalam tempoh yang sama, suhu purata global telah meningkat kira-kira 1.2°C berbanding tahap pra-industri (Laporan Tambahan IPCC AR6, 2023), menyebabkan perubahan ketara di seluruh planet.
Punca utama keadaan ini terletak pada Revolusi Perindustrian, yang bermula pada pertengahan abad ke-18 Britain dan memulakan penggunaan bahan api fosil secara besar-besaran. Penebangan hutan secara sembarangan oleh negara-negara di seluruh dunia juga menyumbang dengan ketara kepada ini. Menurut Penilaian Sumber Hutan Global FAO 2020 dan Global Forest Watch 2023, dunia telah kehilangan purata kira-kira 10 juta hektar hutan setiap tahun sejak 1990, dengan kerugian terkumpul jauh melebihi 100 juta hektar. Ini mewakili penurunan jangka panjang yang jauh lebih teruk daripada 13 juta hektar yang disebut dalam teks asal untuk tempoh 1990-2010. Sebab kritikal bagi kehilangan hutan yang teruk ini adalah pengurangan yang sepadan dalam kapasiti untuk menyerap peningkatan CO₂. Berdasarkan piawaian hutan Korea Selatan, pengiraan mudah mengandaikan setiap hektar menyerap kira-kira 9 tan CO₂ setiap tahun. Ini menunjukkan kos pemprosesan berpuluh juta tan CO₂ dianggarkan sebagai astronomi. Dengan mengandaikan kos kira-kira $20 untuk menyimpan atau menukar satu tan CO₂, kos global kumulatif akibat kehilangan hutan meningkat kepada angka astronomi.
Tambahan pula, hutan tidak boleh segera memproses CO₂ hanya dengan menanam pokok. Tidak kira betapa teliti rancangan pengurusan hutan, ia mengambil masa sekurang-kurangnya 30 tahun untuk pokok tumbuh dengan cukup untuk menyerap tahap CO₂ yang kita perlukan. Purata kapasiti pemprosesan CO₂ yang disebut dalam teks asal (berdasarkan pokok berusia 60 tahun) kekal terpakai hari ini. Memfaktorkan pembolehubah serantau seperti kualiti tanah, hujan dan pendedahan cahaya matahari menjadikan penyelesaian masalah CO₂ semata-mata melalui hutan semula jadi hampir mustahil.
Menggabungkan ini ialah penyakit layu pain, yang penyebarannya telah dipercepatkan disebabkan oleh perubahan iklim. Pertama kali dilaporkan di Korea pada tahun 1988, ia terus berkembang. Penyakit ini, yang disebabkan oleh nematod yang memparasitkan kumbang sawyer pain yang membunuh pokok dengan mengeringkannya, masih tidak mempunyai penawar yang lengkap. Menurut statistik 2024 daripada Perkhidmatan Hutan Korea, kawasan yang terjejas oleh penyakit layu pain telah menunjukkan trend pengembangan yang berterusan baru-baru ini, dengan kadar kematian yang sangat tinggi, menjadikannya nama jolokan 'pine dan AIDS pain Korea'. Terutamanya, apabila suhu meningkat, penyebaran penyakit layu pain semakin cepat, menjadikannya berkemungkinan besar menyebabkan kerosakan yang lebih besar di samping perubahan iklim global. Di Jepun, selepas diperkenalkan pada tahun 1905, penyakit ini telah merebak selama lebih 100 tahun, kini mengancam keruntuhan ekosistem pain. Begitu juga, di Korea Selatan, kira-kira 40% daripada 6.34 juta hektar hutan terdiri daripada konifer, mendedahkan negara kepada risiko yang ketara. Jika kebanyakan pokok konifer dijangkiti dan mati akibat penyakit layu pain, asas penyerapan karbon akan menjadi lemah, sekali gus meningkatkan kerentanan negara terhadap perubahan iklim.
Di antara pelbagai idea untuk mengelakkan malapetaka global seperti itu, salah satunya adalah 'fotosintesis buatan'. Konsep 'fotosintesis buatan' pertama kali disebut pada tahun 1912 oleh ahli fotokimia Itali Dr. Giacomo Cacciamani dalam jurnal 'Sains', dan pertama kali direalisasikan secara eksperimen pada tahun 1972 oleh Profesor Akira Fujimara dari Universiti Tokyo. Sejak itu, pembangunan teknologi telah berkembang pesat di institusi penyelidikan di seluruh dunia. Di Korea, pasukan Profesor Chan-Beom Park di Institut Sains dan Teknologi Korea (KIST) berjaya membangunkan teknologi yang menggabungkan teknologi sel suria dengan enzim redoks untuk meniru tindak balas terang dan gelap fotosintesis semula jadi. Tidak seperti fotosintesis semula jadi, yang menghasilkan glukosa, fotosintesis buatan boleh menukar CO₂ kepada pelbagai bahan api dan bahan polimer seperti metana dan ammonia bergantung kepada keadaan tindak balas. Potensinya untuk penggunaan CO₂ adalah sangat luas, menjadikannya subjek perhatian penting.
Salah satu kelebihan terbesar fotosintesis buatan ialah pelbagai aplikasinya. Walaupun fotosintesis semula jadi memerlukan tanah yang subur, air, dan cahaya matahari, fotosintesis buatan menggantikan tindak balas cahaya dengan sel suria dan melaksanakan tindak balas gelap menggunakan pemangkin. Ini membolehkan fotosintesis walaupun dalam persekitaran yang keras seperti padang pasir. Ia tidak dikekang oleh keadaan tanah dan boleh dipasang pada bahagian luar bangunan bandar atau kemudahan berskala besar, secara mendadak meningkatkan penggunaan spatial. Ia benar-benar teknologi 'hebat', kerana ia boleh menjadi platform baharu untuk menukar CO₂ walaupun dalam persekitaran bandar.
Sehingga kini, manusia bergantung sepenuhnya kepada fotosintesis semula jadi untuk menambah oksigen dan menyerap CO₂. Walau bagaimanapun, kos untuk mengekalkan dan mengurus hutan semula jadi adalah sangat tinggi; Perkhidmatan Hutan sahaja membelanjakan puluhan juta won sehektar hanya untuk membeli hutan persendirian. Kos pengurusan yang meningkat setiap tahun adalah begitu besar sehingga sukar untuk dianggarkan. 'Fotosintesis buatan' mempunyai potensi besar sebagai teknologi yang boleh mengurangkan beban ini dengan ketara. Di atas semua itu, nilainya sangat besar kerana keupayaannya untuk mengurangkan kepekatan CO₂ atmosfera secara mendadak.
Teknologi penukaran CO₂ sedia ada terutamanya melibatkan penukaran kimia dan biologi, dengan yang paling banyak digunakan ialah penukaran CO₂ kepada bahan binaan. Di Korea Selatan, Daewoo E&C telah memperoleh teknologi untuk menggantikan sebahagian simen, dan kestabilannya juga telah terbukti. Walau bagaimanapun, teknologi ini juga membawa had asas bahawa bahan binaan boleh menjadi sumber pencemaran apabila dibuang. Fotosintesis mikroalgal mempamerkan kadar fotosintesis 2.3 kali lebih cepat daripada tebu dan 15 kali lebih cepat daripada pokok pain, tetapi ia mempunyai kelemahan yang memerlukan kemudahan penanaman khusus.
Sebaliknya, fotosintesis buatan membolehkan penukaran CO₂ walaupun di luar kawasan hutan, dengan syarat hanya enzim, air, dan kemudahan yang membekalkan tahap cahaya tertentu tersedia. Fotosintesis buatan menghasilkan bukan sahaja oksigen tetapi juga pelbagai sebatian yang boleh disimpan seperti hidrogen dan metanol. Ia boleh menukarkan bahan dengan 1-2 atom karbon, seperti karbon monoksida, etanol, dan asid formik, kepada sebatian pelbagai, menjadikannya sangat berfaedah untuk menggantikan bahan api fosil dan mewujudkan struktur kitaran CO₂. Terutamanya, kajian baru-baru ini menunjukkan kecekapan fotosintesis buatan meningkat dengan pesat. Tidak seperti tahap kecekapan yang dinyatakan sebelum ini (0.1–4%), beberapa pasukan penyelidik mencapai kecekapan melebihi 10% antara 2022 dan 2024, dengan beberapa persekitaran eksperimen melaporkan sehingga 17%. Ini mewakili kemajuan yang ketara ke arah pengkomersialan, dan kadar pembangunan adalah curam.
Sudah tentu, halangan terakhir untuk diatasi adalah pemangkin. Pemangkin berasaskan perak-karbon yang sedang dibangunkan di KIST ialah bahan termaju, tetapi kecekapannya lebih rendah daripada pemangkin emas percubaan. Tambahan pula, penambahbaikan masih diperlukan dalam skala pengeluaran dan kestabilan mangkin. Walau bagaimanapun, penyelidikan terkini mengenai pelbagai pemangkin logam peralihan berdasarkan nikel, kobalt, dan kuprum, serta kompleks nitrida, sedang berkembang pesat. Teknologi pemangkin juga semakin maju ke arah yang jauh lebih menjimatkan dan cekap berbanding sebelum ini. Walaupun masih dalam fasa penerimaan awal, memandangkan kadar kemajuan saintifik semasa dan potensinya, kesan positif masa depan fotosintesis buatan terhadap alam adalah begitu ketara sehingga sukar untuk diramalkan. Fotosintesis semulajadi mempunyai kecekapan hanya 0.2%, terdedah kepada perosak dan penyakit, dan memerlukan keadaan yang mencabar. Walau bagaimanapun, jika fotosintesis tiruan dikomersialkan, kelebihannya—termasuk kecekapan tinggi melebihi 10% dan tiada kekangan spatial—akan membolehkannya memainkan peranan penting dalam menyelesaikan masalah CO₂ atmosfera. Ia boleh mencapai kesan penyerapan yang sama menggunakan kawasan hanya 1/50th saiz hutan hujan Amazon. Kecekapan boleh dimaksimumkan dengan menggunakan belon ke atas kawasan padang pasir atau kawasan dengan lapisan ozon nipis untuk melakukan fotosintesis yang disasarkan.
Gelombang haba yang berulang dan rekod kemarau setiap tahun menunjukkan keperluan mendesak yang perlu kita tangani masalah ini. Pada November 2015, suhu purata global meningkat tepat 1°C melebihi paras pra-industri, dan menjelang Ogos 2016, ia telah meningkat tambahan 0.38°C dalam masa satu bulan sahaja. Kajian terbaru memberi amaran bahawa Bumi telah memanaskan lebih 1.2°C berbanding tahap pra-industri, dan jika pemanasan berterusan pada kadar semasa, ia berkemungkinan tinggi melebihi ambang 1.5°C menjelang 2030-an. Penemuan penyelidikan kekal sah: kenaikan 1°C dalam suhu purata global meletakkan satu pertiga daripada semua spesies berisiko kepupusan dan boleh memusnahkan 15% hutan dunia melalui bencana alam. Walaupun populasi melebihi 7 bilion, kawasan hutan global terus menurun secara berterusan, kos pengurusan meningkat, dan kepekatan CO₂ terus meningkat. Memandangkan cuaca ekstrem dan bencana alam yang berlaku setiap tahun, tidak ada penyelesaian yang jelas selain penyingkiran atau penukaran CO₂ secara langsung. Untuk mencipta struktur kitaran mulia yang mampu mengitar semula CO₂ dari segi kepraktisan dan kecekapan, 'fotosintesis buatan' jelas merupakan teknologi yang sangat diperlukan untuk manusia.
Fotosintesis ialah teknologi kelangsungan hidup pertama yang dicipta sejak kehidupan muncul di Bumi. Melalui fotosintesis, sebuah planet yang pernah dianggap tidak boleh didiami kini bersinar hijau. Kestabilan teknologi ini telah dibuktikan dengan secukupnya; tidak keterlaluan jika dikatakan tiada bentuk hidupan yang boleh hidup tanpa fotosintesis. Namun, sistem yang dibina secara semula jadi ini selama kira-kira 2 bilion tahun kini menghadapi keruntuhan akibat aktiviti manusia.
Mengatakan masih belum terlambat mungkin terdengar seperti alasan untuk kemanusiaan. Tetapi apa yang jelas ialah tiada sebab untuk keadaan menjadi lebih buruk daripada sekarang. 'Fotosintesis buatan' masih belum selesai, tetapi memandangkan Korea Selatan memegang kedudukan utama dalam bidang ini, dengan minat dan pelaburan yang berterusan daripada kerajaan dan masyarakat, ia berpotensi untuk layak menerima Hadiah Nobel. Hadiah Nobel bukan semata-mata dianugerahkan kerana menemui teori yang belum ditemui. Seperti yang dilihat dalam kes 2014 di mana tiga penyelidik Jepun memenangi Hadiah Nobel dalam Fizik untuk membangunkan LED biru berasaskan galium, inovasi teknologi yang secara langsung menyumbang kepada kehidupan manusia boleh diiktiraf sebagai mempunyai nilai yang mencukupi.
"Hadiahkan kepada mereka yang telah menyumbang secara konkrit kepada kesejahteraan umat manusia."
Ini adalah kehendak Nobel, yang mengumpul kekayaan global melalui dinamit, dan semangat asas yang dicita-citakan Hadiah Nobel. Dengan harapan bahawa Hadiah Nobel dalam Sains, yang belum pernah berlaku sebelum ini, akan dianugerahkan dalam bidang ini, saya menyimpulkan artikel ini.
