Wetenschappers hebben eeuwenlang de fotosynthese in planten bestudeerd, maar een internationaal team gelooft nu dat het nieuwe geheimen heeft ontsloten in de machtige machine van de natuur die een revolutie teweeg kan brengen in duurzame brandstoffen en de klimaatverandering kan bestrijden.
Het team zegt dat het heeft vastgesteld dat het mogelijk was om een elektrische lading te extraheren op het best mogelijke punt in het fotosyntheseproces. Dit betekent zoveel mogelijk elektronen uit het proces halen voor mogelijk gebruik in elektriciteitsnetten en sommige soorten batterijen. Het kan ook de ontwikkeling van biobrandstoffen verbeteren. Hoewel het nog in de kinderschoenen staat, kunnen de bevindingen, gepubliceerd in het tijdschrift Nature, de broeikasgassen in de atmosfeer verminderen en inzichten bieden voor het verbeteren van fotovoltaïsche zonnepanelen.
De belangrijkste doorbraak kwam toen de onderzoekers fotosynthese op ultrasnelle tijdschalen observeerden.
“We kunnen op verschillende tijdstippen foto’s maken, waardoor we veranderingen in het monster heel, heel snel kunnen zien – een miljoen keer sneller dan je iPhone”, vertelde Tommy Paiki van het Cavendish Laboratory van de Universiteit van Cambridge aan CNET.
Het team gebruikte een techniek die ultrasnelle transiënte absorptiespectroscopie wordt genoemd, wat eenvoudig kan worden opgevat als het verlichten van een monster met laserpulsen en het vastleggen van wat er in zeer korte perioden gebeurt. Dit maakt het mogelijk om de elektronen door het hele proces van fotosynthese te zien bewegen.
Eerdere demonstraties hebben cyanobacteriën, algen en andere planten aan elektroden bevestigd om zogenaamde biofotovoltaïsche cellen te creëren die profiteren van fotosynthese om elektriciteit op te wekken.
Becky zei dat de onderzoekers verrast waren om aan het begin van het proces een voorheen onbekend pad voor energiestroom te ontdekken dat een efficiëntere ladingsextractie mogelijk zou kunnen maken.
“We zijn afhankelijk van planten voor alles wat we eten en alle lucht die we inademen, en misschien kunnen we ook hun elektronen gebruiken.”
De wetenschappers ontdekten dat de plek in de cel waar de fotosynthese begint elektronen lekte. In de natuur kan dit planten beschermen tegen de schadelijke delen van zonlicht.
De ontdekking van het nieuwe lekkende pad kan grote gevolgen hebben voor de productie van hernieuwbare biobrandstoffen, meestal afkomstig van planten of algen. Biobrandstoffen kunnen koolstofneutraal zijn omdat ze zowel koolstofdioxide opnemen als planten groeien en het bij verbranding weer in de atmosfeer afgeven, in tegenstelling tot fossiele brandstoffen die koolstof vrijgeven die eeuwenlang diep onder de grond is opgeslagen. Hoeveel koolstof biobrandstof het toevoegt aan of onttrekt aan de atmosfeer, hangt af van hoe de planten worden gekweekt en hoe de brandstof wordt geproduceerd.
Dit onderzoek kan worden gebruikt om efficiëntere processen te ontwikkelen voor de productie van biobrandstoffen.
“Het is een geheel nieuwe manier om biobrandstoffen te produceren. We verzamelen elektronen van de sterkste en vroegste punten van fotosynthese en sturen ze daarheen”, zei onderzoekscoördinator Jenny Zhang uit Cambridge per e-mail.
Anderen hebben geprobeerd elektronen uit een eerder punt in de fotosynthese te oogsten, zegt Zhang, maar concluderen dat dat onmogelijk is. In eerste instantie, zegt ze, was het team ervan overtuigd dat hij een fout had gemaakt.
“Het kostte ons een tijdje om onszelf ervan te overtuigen dat we dat deden”, zei Zhang in een verklaring.
In wezen belooft de doorbraak de verbazingwekkende efficiëntie van fotosynthese verder te benutten als het gaat om het omzetten van zonlicht in energie.
“Wat fotosynthese echt bijzonder maakt, is de bijna 100% efficiëntie bij het omzetten van licht in elektronen”, legt Becky uit. “Met ons begrip van de mechanismen van fotosynthese kunnen we deze kennis gebruiken om ons te inspireren om bestaande zonneceltechnologie te verbeteren.”
Naast het efficiënter produceren van energie, kan het verfijnen van de fotosynthese er ook voor zorgen dat planten worden gebruikt om kooldioxide beter te absorberen en op te slaan, waardoor de klimaatverandering wordt tegengegaan.
Zhang stelt zich een toekomst voor waarin de voordelen van fotosynthese ons in staat stellen “onze energie te laten groeien zoals we ons voedsel verbouwen”, maar dit doen via organismen zoals cyanobacteriën, die niet hoeven te concurreren met de voedselproductie.
Ze zei dat de nieuwe inzichten uit dit onderzoek gewassen een boost zouden kunnen geven door ze toleranter te maken voor intens zonlicht.
“Als we op de lange termijn hernieuwbare energie en brandstoffen kunnen opwekken uit zelfgenererende, zelfrecyclerende, levende materialen, zou dat een van de groenste opties zijn die men zich kan voorstellen om vooruitgang te boeken op het gebied van duurzaamheid.”