Dette blogginnlegget undersøker årsakene til den raskt økende atmosfæriske CO₂-mengden og den forverrede klimakrisen, og utforsker både potensialet og begrensningene ved kunstig fotosyntese som en ny løsning som får oppmerksomhet.
CO₂ er det stoffet som først slår oss når vi tenker på miljøproblemer som klimaendringer og global oppvarming. Det er lett å feilaktig se på CO₂ som et «stoff som må elimineres», men for å være presis er det ikke noe som «må forsvinne», men snarere et stoff som «må reduseres til et passende nivå». Faktisk er det nettopp fordi karbondioksid finnes at fotosyntese ved bruk av det ble mulig. Takket være dette tilpasset planter seg jordens miljø, slik at organismer kunne fortsette sin normale utvikling basert på oksygenånding. Ideen om å omdanne karbondioksidet som slippes ut av organismer tilbake til næringsstoffer er virkelig genial, og jordens økosystem har opprettholdt seg selv i over en milliard år gjennom denne sykliske strukturen. Imidlertid har «overskuddet» av karbondioksid som menneskeheten begynte å slippe ut etter hvert som den utviklet seg og industriell aktivitet eksploderte, begynt å forstyrre økosystemets balanse, og mengden har nå økt til et nivå som er vanskelig å ignorere.
Jeg har vært oppmerksom på alvoret i atmosfæriske CO₂-konsentrasjoner, som har vært i sentrum for global debatt siden siste halvdel av det 20. århundre. Jorden absorberer og sender naturlig ut solstråling for å opprettholde sin gjennomsnittstemperatur. Fenomenet der CO₂ absorberer utsendt stråling, fanger varme og hindrer den i å slippe ut i rommet, kalles «drivhuseffekten». Dette er nå anerkjent som en primær driver for nylige klimaendringer. Ifølge data fra US National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) og Scripps Institution of Oceanography, har atmosfæriske CO₂-konsentrasjoner holdt seg balansert mellom 170 og 280 deler per million (ppm) de siste 800 000 årene. De økte imidlertid kraftig etter industrialiseringen, og nådde 315 ppm i den første registrerte målingen i 1958 og oversteg 400 ppm i 2013. Økningsraten har siden akselerert, med atmosfæriske CO₂-konsentrasjoner som nådde omtrent 421 ppm (Mauna Loa-standarden) innen 2024. Dette representerer en økning på omtrent 33 % sammenlignet med 1960-tallet. I samme periode har den globale gjennomsnittstemperaturen steget med omtrent 1.2 °C sammenlignet med førindustrielle nivåer (IPCC AR6, 2023 Supplementary Report), noe som forårsaker betydelige endringer over hele planeten.
Den grunnleggende årsaken til denne situasjonen ligger i den industrielle revolusjonen, som startet i Storbritannia på midten av 18-tallet og satte i gang storskala bruk av fossilt brensel. Vilkårlig avskoging fra land over hele verden bidro også betydelig til dette. I følge FAOs Global Forest Resources Assessment 2020 og Global Forest Watch 2023 har verden mistet gjennomsnittlig omtrent 10 millioner hektar skog årlig siden 1990, med kumulative tap som langt overstiger 100 millioner hektar. Dette representerer en langt mer alvorlig langsiktig nedgang enn de 13 millioner hektarene som er nevnt i den opprinnelige teksten for perioden 1990-2010. Den kritiske årsaken til dette alvorlige skogtapet er den tilsvarende reduksjonen i kapasiteten til å absorbere økt CO₂. Basert på Sør-Koreas skogstandarder antar en enkel beregning at hvert hektar absorberer omtrent 9 tonn CO₂ årlig. Dette innebærer at kostnadene ved å behandle titalls millioner tonn CO₂ anslås å være astronomiske. Hvis vi antar at det koster omtrent 20 dollar å lagre eller omdanne ett tonn CO₂, stiger den kumulative globale kostnaden på grunn av skogtap til astronomiske tall.
Dessuten kan ikke skoger umiddelbart behandle CO₂ bare ved å plante trær. Uansett hvor grundig skogforvaltningsplanen er, tar det minst 30 år for trær å vokse tilstrekkelig til å absorbere det CO₂-nivået vi trenger. Den gjennomsnittlige CO₂-prosesseringskapasiteten som er nevnt i originalteksten (basert på 60 år gamle trær) er fortsatt gjeldende i dag. Å ta hensyn til regionale variabler som jordkvalitet, nedbør og sollyseksponering gjør det praktisk talt umulig å løse CO₂-problemet utelukkende gjennom naturlige skoger.
Dette forverres av furuvisnesygesykdommen, hvis spredning har akselerert på grunn av klimaendringer. Den ble først rapportert i Korea i 1988, og har stadig spredt seg. Denne sykdommen, forårsaket av nematoder som parasitterer furusagbillen som dreper trær ved å tørke dem ut, har fortsatt ingen fullstendig kur. Ifølge statistikk fra Korea Forest Service fra 2024 har området som er rammet av furuvisnesygesykdommen vist en kontinuerlig ekspansjonstrend i det siste, med en svært høy dødelighet, noe som har gitt den kallenavnet «furu og koreansk furu-AIDS». Spesielt når temperaturen stiger, akselererer spredningen av furuvisnesygesykdommen, noe som gjør det svært sannsynlig at den vil forårsake større skade sammen med globale klimaendringer. I Japan, etter introduksjonen i 1905, har sykdommen spredt seg i over 100 år, og truer nå med kollapsen av furuøkosystemet. Tilsvarende består omtrent 40 % av de 6.34 millioner hektar skog i Sør-Korea av bartrær, noe som utsetter landet for betydelig risiko. Hvis de fleste bartrær blir smittet og dør av furuvisnesygesykdommen, vil karbonopptaksgrunnlaget svekkes, noe som øker nasjonens sårbarhet for klimaendringer betraktelig.
Blant de ulike ideene for å forhindre en slik global katastrofe, er én av dem «kunstig fotosyntese». Konseptet «kunstig fotosyntese» ble først nevnt i 1912 av den italienske fotokjemikeren Dr. Giacomo Cacciamani i tidsskriftet «Science», og ble først eksperimentelt realisert i 1972 av professor Akira Fujimara ved Universitetet i Tokyo. Siden den gang har den teknologiske utviklingen gått raskt fremover ved forskningsinstitusjoner over hele verden. I Korea utviklet professor Chan-Beom Parks team ved Korea Institute of Science and Technology (KIST) en teknologi som kombinerer solcelleteknologi med redoksenzymer for å etterligne lys- og mørkereaksjonene i naturlig fotosyntese. I motsetning til naturlig fotosyntese, som produserer glukose, kan kunstig fotosyntese omdanne CO₂ til forskjellige drivstoff og polymermaterialer som metan og ammoniakk, avhengig av reaksjonsforholdene. Potensialet for CO₂-utnyttelse er usedvanlig bredt, noe som gjør det til et tema for betydelig oppmerksomhet.
En av de største fordelene med kunstig fotosyntese er dens brede bruksområder. Mens naturlig fotosyntese krever fruktbar jord, vann og sollys, erstatter kunstig fotosyntese lysreaksjonen med solceller og implementerer mørkereaksjonen ved hjelp av katalysatorer. Dette muliggjør fotosyntese selv i tøffe miljøer som ørkener. Den er ikke begrenset av jordforhold og kan installeres på fasader av urbane bygninger eller store anlegg, noe som øker romutnyttelsen dramatisk. Det er virkelig en «fantastisk» teknologi, ettersom den kan bli en ny plattform for å konvertere CO₂ selv i urbane miljøer.
Frem til nå har menneskeheten vært helt avhengig av naturlig fotosyntese for å fylle på oksygen og absorbere CO₂. Kostnadene ved å vedlikeholde og forvalte naturlige skoger er imidlertid ekstremt høye; Skogvesenet alene bruker titalls millioner won per hektar bare på å kjøpe private skoger. De årlig økende forvaltningskostnadene er så store at de er vanskelige å anslå. «Kunstig fotosyntese» har et betydelig potensial som en teknologi som kan redusere denne byrden betydelig. Fremfor alt er verdien enorm på grunn av dens evne til å redusere atmosfæriske CO₂-konsentrasjoner dramatisk.
Eksisterende CO₂-konverteringsteknologier involverer primært kjemisk og biologisk konvertering, hvor den mest brukte er konvertering av CO₂ til byggematerialer. I Sør-Korea har Daewoo E&C sikret seg teknologi for delvis å erstatte sement, og stabiliteten er også bevist. Denne teknologien har imidlertid også den grunnleggende begrensningen at byggematerialene kan bli en forurensningskilde når de kastes. Mikroalger viser en fotosyntesehastighet som er 2.3 ganger raskere enn sukkerrør og 15 ganger raskere enn furutrær, men den har ulempen at den krever spesialiserte dyrkingsanlegg.
Kunstig fotosyntese muliggjør derimot CO₂-omdanning selv utenfor skogkledde områder, forutsatt at bare enzymer, vann og anlegg som leverer et visst lysnivå er tilgjengelige. Kunstig fotosyntese produserer ikke bare oksygen, men også forskjellige lagringsbare forbindelser som hydrogen og metanol. Den kan omdanne stoffer med 1–2 karbonatomer, som karbonmonoksid, etanol og maursyre, til forskjellige forbindelser, noe som gjør den svært fordelaktig for å erstatte fossilt brensel og etablere en CO₂-syklusstruktur. Det er verdt å merke seg at nyere studier indikerer at effektiviteten til kunstig fotosyntese øker raskt. I motsetning til de tidligere nevnte effektivitetsnivåene (0.1–4 %) oppnådde flere forskerteam effektivitet på over 10 % mellom 2022 og 2024, med noen eksperimentelle miljøer som rapporterte opptil 17 %. Dette representerer betydelig fremgang mot kommersialisering, og utviklingstakten er bratt.
Den siste hindringen som må overvinnes er selvsagt katalysatoren. Den sølv-karbonbaserte katalysatoren som er under utvikling ved KIST er et banebrytende materiale, men effektiviteten er lavere enn for eksperimentelle gullkatalysatorer. Videre er det fortsatt behov for forbedringer i produksjonsskalaen og stabiliteten til katalysatoren. Nyere forskning på ulike overgangsmetallkatalysatorer basert på nikkel, kobolt og kobber, samt nitridkomplekser, går imidlertid raskt fremover. Katalysatorteknologi utvikler seg også i en retning som er betydelig mer økonomisk og effektiv enn før. Selv om den fortsatt er i en tidlig adopsjonsfase, med tanke på det nåværende tempoet i vitenskapelige fremskritt og dens potensial, er den fremtidige positive effekten av kunstig fotosyntese på naturen så betydelig at den er vanskelig å forutsi. Naturlig fotosyntese har en effektivitet på bare 0.2 %, er sårbar for skadedyr og sykdommer, og krever krevende forhold. Men hvis kunstig fotosyntese blir kommersialisert, vil fordelene – inkludert høy effektivitet på over 10 % og ingen romlige begrensninger – gjøre det mulig for den å spille en avgjørende rolle i å løse det atmosfæriske CO₂-problemet. Den kan oppnå samme absorpsjonseffekt ved å bruke et område som bare er 1/50 av Amazonas-regnskogen. Effektiviteten kan maksimeres ved å utplassere ballonger over ørkenregioner eller områder med tynne ozonlag for å utføre målrettet fotosyntese.
De gjentakende hetebølgene og rekordtørken hvert år demonstrerer hvor presserende det er å ta tak i dette problemet. I november 2015 steg den globale gjennomsnittstemperaturen nøyaktig 1 °C over førindustrielt nivå, og innen august 2016 hadde den økt ytterligere 0.38 °C på bare én måned. Nyere studier advarer om at jorden allerede har varmet opp med over 1.2 °C sammenlignet med førindustrielle nivåer, og hvis oppvarmingen fortsetter i dagens tempo, er det høyst sannsynlig at den vil overstige 1.5 °C-terskelen innen 2030-tallet. Forskningsresultatene er fortsatt gyldige: en økning på 1 °C i global gjennomsnittstemperatur setter en tredjedel av alle arter i fare for utryddelse og kan ødelegge 15 % av verdens skoger gjennom naturkatastrofer. Til tross for en befolkning på over 7 milliarder, fortsetter det globale skogarealet å synke jevnt, forvaltningskostnadene øker, og CO₂-konsentrasjonene fortsetter å øke. Med tanke på ekstremværet og naturkatastrofene som inntreffer årlig, finnes det i praksis ingen annen klar løsning enn å direkte fjerne eller omdanne CO₂. For å skape en positiv syklusstruktur som er i stand til å resirkulere CO₂ med tanke på praktisk anvendelighet og effektivitet, er «kunstig fotosyntese» helt klart en uunnværlig teknologi for menneskeheten.
Fotosyntese er den aller første overlevelsesteknologien som er utviklet siden livet oppsto på jorden. Gjennom fotosyntese lyser en planet som en gang ble ansett som ubeboelig nå grønt. Stabiliteten til denne teknologien er tilstrekkelig bevist; det er ingen overdrivelse å si at ingen livsform kan overleve uten fotosyntese. Likevel står dette systemet, som er bygget av naturen over omtrent 2 milliarder år, nå overfor kollaps på grunn av menneskelig aktivitet.
Å si at det ikke er for sent kan høres ut som en unnskyldning for menneskeheten. Men det som er klart, er at det ikke er noen grunn til at ting skal bli verre enn de er nå. «Kunstig fotosyntese» er ennå ikke fullført, men gitt at Sør-Korea har en ledende posisjon på dette feltet, med vedvarende interesse og investeringer fra myndighetene og samfunnet, har det potensial til å være verdig en Nobelpris. Nobelprisen tildeles ikke utelukkende for å oppdage uoppdagede teorier. Som det ble sett i 2014-saken der tre japanske forskere vant Nobelprisen i fysikk for å utvikle galliumbaserte blå LED-er, kan teknologiske innovasjoner som direkte bidrar til menneskeliv anerkjennes som å ha tilstrekkelig verdi.
«Gi den til de som har bidratt mest konkret til menneskehetens velferd.»
Dette er Nobels vilje, han som samlet global rikdom gjennom dynamitt, og den grunnleggende ånden Nobelprisen streber etter. Med håp om at en nobelpris i vitenskap, uten sidestykke hittil, vil bli tildelt på nettopp dette feltet, avslutter jeg denne artikkelen.
