Yapay bir fotosentez mümkün mü?

Son iki yüzyıl boyunca, insanlar enerji ihtiyaçlarını karşılamak için milyonlarca yıldır devam eden fotosentezin sunduğu avantajları kullanarak fosil yakıtlara bel bağladılar. Ancak, bu kaynaklar sınırlıdır ve fosil yakıt tüketimi, dünya iklimi üzerinde ciddi olumsuz etkilere neden olmaktadır. Chicago Üniversitesi'nden kimyager Wenbin Lin, "Kullandığımız enerji miktarını göz önüne aldığımızda, doğanın bu tüketim için herhangi bir doğal çözüm sunmamasının, birçok insanın farkında olmadığı en büyük zorluk olduğunu belirtiyor. Hatta fotosentez bile yeterince etkili değil! Bu nedenle, doğadan daha verimli bir çözüm bulmak zorunda kalacağız, ve bu durum oldukça endişe verici," şeklinde ifade ediyor.Bilim insanlarının üzerinde çalıştığı bir seçenek, "yapay fotosentez" adı verilen bir yöntemdir; bu, bitkilerin fotosentez sistemini değiştirerek kendi enerji ihtiyaçlarımız için yakıt üretmeyi amaçlamaktadır. Ancak, tek bir yaprağın kimyasal mekanizmaları bile son derece karmaşıktır ve bu sistemi kendi ihtiyaçlarımıza uygun hale getirmek kolay değildir.Chicago Üniversitesi'nde altı kimyager tarafından yürütülen ve Nature Catalysis dergisinde yayınlanan bir araştırma, önceki yapay fotosentez sistemlerinden 10 kat daha verimli olan bir yöntem sunmaktadır. Normal fotosentezde karbondioksit ve su kullanılarak karbonhidrat üretilirken, bu yapay fotosentez yöntemi etanol, metan gibi diğer yakıtları üretebilir.Yapay fotosentezin araçları düzenli bir şekilde yakıt sağlaması için hala uzun bir süreç olabilir, ancak bu yöntem bilim insanlarına keşfedilecek yeni bir alan sunmakta ve daha yakın vadede diğer kimyasalların üretimi için kullanışlı olabilir. Chicago Üniversitesi Kimya Profesörü ve çalışmanın kıdemli yazarı Lin, "Bu, mevcut sistemlere büyük bir gelişme getiriyor; ancak aynı derecede önemli olarak, bu yapay sistemin moleküler düzeyde nasıl çalıştığına dair çok net bir anlayışa ulaşabildik - ki bu, daha önce başarılamamıştı," diyor.Başka Bir Şeye İhtiyacımız Var!Lin ayrıca şunları ekliyor: "Doğal fotosentez olmasaydı, biz burada olmazdık. Fotosentez, dünyada soluduğumuz oksijeni ve besinleri elde etmemizi sağladı. Ancak asla araç kullanmak için yakıt üretecek kadar verimli olmadığı için, başka bir çözüme ihtiyaç duyuyoruz."Ancak, fotosentez doğanın canlı vücutlarına karbonhidratları üretmek amacıyla evrimleşmiştir ve bu, arabalarımızın ihtiyaç duyduğu çok daha yoğun enerji paketlerini sağlamak için uygun değildir. Bu nedenle, fosil yakıtlara alternatif arayışında olan araştırmacılar, süreci yeniden tasarlayarak etanol, metan gibi daha enerji yoğun yakıtlar oluşturmak zorundadırlar.Doğadaki fotosentez, çok karmaşık protein ve pigment grupları tarafından gerçekleştirilir. Bu süreçte, su ve karbon dioksit alınarak moleküller parçalanır ve atomlar yeniden düzenlenerek karbonhidratları oluşturan uzun bir hidrojen-oksijen-karbon bileşikleri dizisi ortaya çıkar. Ancak, bilim insanlarının bu süreci metan gibi enerji yüklü bir karbon çekirdeğiyle (CH4) sadece hidrojenle farklı bir düzenleme üretebilmek için yeniden mühendislik yapmaları gerekmektedir.Bu yeniden mühendislik çalışmaları oldukça zorlu bir görevdir; çünkü insanlar, doğanın yıllar süren evrimsel süreçte kazandığı verimliliğe yaklaşabilmek için uzun yıllardır bu konu üzerinde çalışmaktadırlar.Lin ve laboratuvar ekibi, daha önce denenmemiş bir yaklaşımı yapay fotosentez sistemlerine entegre etme fikrini keşfettiler: amino asitler.Ekip, metal-organik çerçeve veya MOF olarak adlandırılan, metal iyonlarından oluşan bir bileşik sınıfını içeren bir malzeme türü ile başladı. Metal-organik çerçeveleri, maksimum yüzey alanını sağlamak için tek bir katman olarak tasarlayarak ve elektronları taşımak için bir kobalt bileşiği içeren bir çözeltiye batırarak kimyasal reaksiyonlar için uygun bir ortam oluşturdular. Son olarak, metal-organik çerçevelere amino asitler ekleyerek, hangisinin en iyi sonuçları verdiğini belirlemeye çalıştılar.Her iki reaksiyon aşamasında da, yani suyu parçalayan süreçte ve karbon dioksiti elektrona ve protone dönüştüren süreçte iyileştirmeler sağlayabildiler. Her iki durumda da, amino asitler reaksiyonun daha verimli bir şekilde ilerlemesine yardımcı oldu.Ancak, bu önemli gelişmeye rağmen, yapay fotosentezin, geniş çapta kullanılabilecek kadar yakıt üretebilmesi için henüz atması gereken uzun bir yol olduğunu belirtmek önemlidir. Lin, "Şu anda bulunduğumuz noktada, tüketimimizi karşılamak için yeterli miktarda metan üretebilmek için sistemimizi büyük ölçekli hale getirmemiz gerekecek," diyor.Bu buluş, şu an için otomobil yakıtları gibi büyük miktarlarda üretime ihtiyaç duyulan alanlarda hemen etkili olmasa da, daha küçük miktarlarda gereken bazı moleküllerin üretiminde, örneğin farmasötik ilaçlar ve naylonlar için başlangıç malzemeleri gibi, geniş bir yelpazede uygulanabilir. Lin, "Bu temel süreçlerin çoğu aynıdır. İyi bir kimya geliştirirseniz, ürettiklerinizi birçok sistemde kullanabilirsiniz," şeklinde açıklamada bulunuyor.