Leitin að endurnýtanlegri orku hjá plöntum

Löngu áður en hin núverandi áhersla á 'græna orku' þá hafa vísindamenn verið að vinna að því að herma eftir því hvernig plöntur fara að því að breyta sólarljósinu í eldsneyti. Í laufum plantna þá breytir ljóstillífun koltvíoxíð (CO2) og vatni í súrefni og sykur.  Hagkvæmni þessa orkuflutnings er í kringum 97% og er öfund verkfræðinga sem reyna hvað þeir geta að búa til gerfi 'ljóstillífun' tæki.

( veitið því athygli að ljóstillífun er öðru vísi en photovoltaics sem er aðferðin sem notuð er í hefðbundnum tækjum sem sem búa til rafmagnsstraum sem er erfitt að geyma )

Kostirnir við slíkan plöntuhermi eru mjög augljósir fyrir þá sem rannsaka þetta: "The production of hydrogen using nothing but water and sunlight offers the possibility of an abundant, renewable, green source of energy for the future,” sagði Tom Mallouk, við Pennsylvania State háskólann, prófessor í efnafræði og eðlisfræði.

Það er samt löng leið til að ná þessu takmarki. Meira að segja efnafræði þessa flókna ferli ljóstillífunnar hefur ekki verið skilin til fulls og hvað þá hermt eftir!  Við höfum með reglulegu millibili sagt frá fréttum af uppgvötum á undanförnum árum um þá snilldarhönnun sem plöntu ljóstillífun tækið og tengdir strúktúrar.  Til dæmis,  plants have a ‘dimmer switch’, ofur viðkvæman "dimmer" sem breytist eftir ljósskilyrðum og plöntur einnig "vita" hvenær á að búa til sólarljósvörn þegar skilyrðin heimta það.

Ein af aðal hindrununum eru að leysa ráðgátuna hvernig plöntur geta brotið sundir vatns eindina í vetni og súreefni án þess að tortýma sjálfum sér í leiðinni. ( Hugsið bara út í Hindenburg slysið þegar kviknaði í zeppelíni og þá brann vetnisgasið og varð að vatni. Til að brjóta sundur vatn þá þarf að flytja orkuna sem brýst þarna fram einhvert. Í grein sem birtist árið 1999 í New Scientist þá var athyglinni beint að árangri efnafræðinganna Gary Brudvig og Robert Crabtree frá Yale en þeir lýstu vandamálinu svona:

The oxygen is released by splitting water molecules, a reaction that in the lab requires such violence that it would tear any living system apart. So how can plants do it, using only energy from the sun?

Try breaking water apart in one go and you’d need a huge blast of energy. To do the job with heat alone, for example, you’d need to raise the temperature of water by thousands of degrees—more than enough to vapourise a geranium.

En við sjáum ekki gras og aðrar plöntur springa svo augljóslega hafa plöntur mekanisma sem getur tekið í sundur vatnseindir í vetni og súrefni við eðlilegt hitastig. Brudvig og Crabtree eiga heiðurskilinn fyrir að hafa búið til kerfi sem getur framleitt súrefni. En þeir hafa ekki ennþá fundið úr hvernig hægt er að nota ljósorkuna, í staðinn þá notuðu þeir Brudvig og Crabtree efnaorkuna úr öflugum hreinsiefnum. En jafnvel þá þá gat þeirra kerfi aðeins framleitt 100 súrefnis sameindir áður en það eyðilagðist. Eins og Gary Brudvig útskýrði:

This is one of the drawbacks of the artificial system. It can’t constantly regenerate itself.

Svo hve mikið vitum við um hvernig plöntur fara að þessu?  Hérna er stuttur útdráttur úr grein eftir eðlisefnafræðinginn Jonathan Sarfati:

Ingenious solution

It turns out that in leaves there is a special assembly called Photosystem II (named because it was discovered second). A photon strikes this, and it is channeled into a type of chlorophyll called P680. There it knocks out an electron from an atom, and this energetic electron eventually helps make sugars from CO2. But then, the P680 must replenish the lost electron. This is a big problem for artificial photosynthesis— human chemists have also so far been unable to produce a system that replenishes the electrons knocked out by the photons. Photosynthesis would have quickly ground to a halt without this, so how are the electrons replaced?

Fyrir lesendur sem hafa áhuga á efnafræði þá geta þeir lesið tæknilega grein sem útskýrir þetta, sjá:  Green power (photosynthesis)  En nú þegar búið er að gefa bakgrunninn varðandi hvaða vandamál vísindamenn standa frammi fyrir þegar kemur að því að búa til gerfi ljóstillífunarvél þá er fræðandi að fá að vita það nýjasta sem er að gerast í þessu verkefni frá einum af rannsóknarmönnunum á þessu sviði, Julian Eaton-Rye.  Hérna er hvernig ABC vísindamaður og útvarpsmaðurinn Robyn Williams að kynna Julian í viðtala nýlega á "The Science Show" útvarpsþættinum:

Robyn Williams: People all over the world are looking for alternative power sources. Professor Julian Eaton-Rye is a biochemist at the University of Otago in Dunedin in New Zealand and he’s interested in adapting photosynthesis to provide power, hydrogen power. He is working on Photosystem II.

Williams and Eaton-Rye then begin their discussion about how Photosystem II is used to break water molecules. Here’s some of the ensuing dialogue after Williams mentions that “it normally happens at normal temperatures.”

Julian Eaton-Rye: It does and I guess that’s the trick of Photosystem II, that it can break water molecules down at ambient temperatures, whereas if you wanted to break water you would have to heat it to about 2,000°C in order to break it down, so you’re not boiling the water, it’s not steam you want, you want to actually decompose the water.

Robyn Williams: So if you weren’t using an electric current, if you just wanted to break it down into hydrogen and oxygen, 2,000°C is a hell of a hot temperature, isn’t it.

Julian Eaton-Rye: Yes, it is. I guess perhaps that’s good for us because it means water is very stable and we need a lot of it and we’ve got a lot of it.

Robyn Williams: And we don’t blow up.

Julian Eaton-Rye: Right, exactly, yes.

Það er hárrétt. Vatn er ótrúlegt efni sem er akkúrat rétt fyrir lífið af því að það hannað þannig.  Samt sem áður, hvorki Williams né Eaton-Rye viðurkenndu þannig hönnuð í staðinn fyrir það gáfu þeir heiðurinn til þróunarinnar. En eins og meðfylgjandi stutta samtal með endalausum tilvísunum í "arkitektúr", "nauðsynlegt", "viðgerðir", "hönnun", "viðkvæmt", "tæki", "hagkvæmni" og "vinnur snuðurlaust" þá hafa Williams og Eaton-Rye mikla trú að "þróun" gerði þetta:

Robyn Williams: And so the secret is presumably an enzyme or more than one enzyme or what?

Julian Eaton-Rye: The secret is a metal centre composed of manganese and calcium, four manganese and one calcium, and they are put together in an architecture and a protein environment that holds them in a certain configuration, which simply allows that to act as the catalyst to drive this reaction. And one of the great challenges is to understand that architecture so that it can be mimicked so that we can make machines that will split water, because we talked about the electrons and the oxygen but of course you also have those protons, and those protons can become hydrogen, and hydrogen is a fuel.

Robyn Williams: And hydrogen would be great to have, but the great thing about enzymes is that when you’ve had the reaction, they are still there at the end, which is nice, isn’t it.

Julian Eaton-Rye: It is nice. In the case of Photosystem II, there’s a slight twist because this is a machine that works at the edge and there’s quite a bit of energy involved from the light that is absorbed, and while that’s splitting water it also causes damage to the actual protein architecture that is essential to hold everything in place to make it work. And what has happened in evolution is that the organisms that house the enzyme have developed a system to constantly repair the photosystem to sustain this reaction, and therefore Photosystem II offers an interesting model to look at how you might design a machine that repairs itself in a chemical way that would sustain this reaction in a synthetic operation.

Robyn Williams: So instead you’ve got a very delicate machine here which can easily break down. In other words, the enzyme can go bust, and you’re trying to see whether there is a way in which you can harness all this and maintain a vigour … the enzyme or something else, so that you don’t have the whole thing break down in about two seconds.

Julian Eaton-Rye: The enzyme doesn’t go bust, and I think that’s its success, is that this machinery that repairs itself is so efficient that the enzyme continues to work seamlessly, and therefore the mechanism involved is a very intriguing one, and if we were able to reproduce it in biomimetic systems then we would be able to have sustained water oxidation panels on our roof that light shines on that continue to make us hydrogen and electrons as a fuel source.

Hugmyndin að svona flókið kerfi eins og Tillífunarkerfi II ( svo við minnumst ekki á restina af plöntunni með getuna til að fjölga sér ) gæti orðið til án vitrænnar hönnunar er sannarlega furðuleg. Það er ekki að undra að Rómverjabréfið 1:20 segir að menn eru "án afsökunnar" þegar þeir segja "það er enginn Guð" ( Sálmarnir 14:1, 53:1 )

Eru Julian Eaton-Rye og aðrir vísindamenn út um allan heim eitthvað nær því að geta hermt eftir ljóstillífunarkerfi plöntunnar en þeir voru fyrir tíu árum síðan?

Julian Eaton-Rye: That’s perhaps a little bit out there in the future, but the understanding of the chemistry to split water has received a big boost in just the last 12 months with an important X-ray crystal structure of the photosystem from a group in Japan, and there are many people around the world working on the manganese operation. Our own lab works on the protein environment that surrounds that manganese system, and the polypeptides that are necessary to continually turn over the photosystem. I think that the future is promising and the biochemistry is very interesting, and we hope that in the next five to ten years … perhaps just five actually, the real chemistry of the reaction will be understood, and to therefore reproduce it in a sustained way becomes a reasonable goal.

Ef það tækist einn góðan veðurdag að herma ( nota verkfræði ) eftir því sem plöntur gera, þá mun það ekki hafa verið afrakstur tíma og tilviljanakenndra ferla heldur vitrænnar hönnunar og vísindamennirnir sem bjuggu það til munu án efa vilja fá heiðurinn fyrir því afreki.  Hve miklu meiri heiður á sá ofur gáfaði vitræni hönnuður sem hannaði plönturnar upprunalega?!

Þegar Robyn Williams spurði Julian Eaton-Rye um mögulegan gróða ef að rannsóknirnar á ljósstillífun plantna tækjust þá svaraði Eaton-Rya:

Julian Eaton-Rye: The payoff is clearly that if you can actually make hydrogen from water, you would have solved many, many issues surrounding pollution and sustained energy production. There is no pollution from using water as a source of fuel. So in that sense it’s a very wonderful opportunity that we might be able to pursue.

Leitin að 'plöntu orku': viðhaldanleg orkuframleiðsla frá vatni og sólinni sem mengar ekki; hljómar eins og snilldar hugmynd! Hver ætli hafi fengið þessa hugmynd fyrst? :)

Athugasemdir

[Mofi, 30.9.2012 kl. 16:55]

Þessi grein er þýðing á þessari grein hérna: In pursuit of plant power  Ég afsaka að hafa ekki þýtt allar tilvitnanirnar, vonandi veldur það engum vandræðum.