Fotosintesis buatan: Teknologi dua-dalam-satu yang dapat menyelamatkan planet ini
Fotosintesis: mekanisme fundamental bagi kehidupan di planet ini, momok bagi mahasiswa biologi GCSE, dan sekarang menjadi cara potensial untuk melawan perubahan iklim. Para ilmuwan bekerja keras untuk mengembangkan metode buatan yang meniru bagaimana tanaman menggunakan sinar matahari untuk mengubah CO2 dan air menjadi sesuatu yang dapat kita gunakan sebagai bahan bakar. Jika berhasil, ini akan menjadi skenario win-win bagi kita: kita tidak hanya akan mendapat manfaat dari energi terbarukan yang dihasilkan dengan cara ini, tetapi juga bisa menjadi cara penting untuk mengurangi kadar CO2 di atmosfer.
Namun, tanaman butuh miliaran tahun untuk mengembangkan fotosintesis, dan tidak selalu mudah untuk meniru apa yang terjadi di alam. Saat ini, langkah-langkah dasar dalam fotosintesis buatan bekerja, tetapi tidak terlalu efisien. Kabar baiknya adalah bahwa penelitian di bidang ini semakin meningkat dan ada kelompok di seluruh dunia yang mengambil langkah untuk memanfaatkan proses integral ini.
Fotosintesis dua langkah
Fotosintesis bukan hanya tentang menangkap sinar matahari. Kadal mandi di bawah sinar matahari yang hangat bisa melakukan itu. Fotosintesis berkembang pada tumbuhan sebagai cara untuk menangkap dan menyimpan energi ini (bagian "foto") dan mengubahnya menjadi karbohidrat (bagian "sintesis"). Tanaman menggunakan serangkaian protein dan enzim yang ditenagai oleh sinar matahari untuk melepaskan elektron, yang pada gilirannya digunakan untuk mengubah CO2 menjadi karbohidrat kompleks. Pada dasarnya, fotosintesis buatan mengikuti langkah yang sama.
“Dalam fotosintesis alami, yang merupakan bagian dari siklus karbon alami, kami memiliki cahaya, CO2 dan air masuk ke tanaman dan tanaman membuat gula,” jelas Phil De Luna, kandidat PhD yang bekerja di Departemen Teknik Elektro dan Komputer di Universitas Toronto. “Dalam fotosintesis buatan, kami menggunakan perangkat dan bahan anorganik. Bagian pemanenan matahari yang sebenarnya dilakukan oleh sel surya dan bagian konversi energi dilakukan oleh [reaksi dengan adanya] katalis elektrokimia.”
Apa yang benar-benar menarik dengan proses ini adalah kemampuan untuk menghasilkan bahan bakar untuk penyimpanan energi jangka panjang. Ini jauh lebih banyak daripada yang dapat dilakukan oleh sumber energi terbarukan saat ini, bahkan dengan teknologi baterai yang sedang berkembang. Jika matahari tidak keluar atau jika hari tidak berangin, misalnya, panel surya dan ladang angin berhenti berproduksi. “Untuk penyimpanan musiman dan penyimpanan bahan bakar kompleks yang berkepanjangan, kami membutuhkan solusi yang lebih baik,” kata De Luna. “Baterai sangat bagus untuk penggunaan sehari-hari, untuk ponsel dan bahkan untuk mobil, tetapi kami tidak akan pernah menjalankan [Boeing] 747 dengan baterai.”
Tantangan untuk dipecahkan
Dalam hal membuat sel surya – langkah pertama dalam proses fotosintesis buatan – kita sudah memiliki teknologinya: sistem tenaga surya. Namun, panel fotovoltaik saat ini, yang biasanya sistem berbasis semikonduktor, relatif mahal dan tidak efisien dibandingkan dengan alam. Sebuah teknologi baru diperlukan; yang menghabiskan jauh lebih sedikit energi.
Gary Hastings dan timnya dari Georgia State University, Atlanta, mungkin tersandung pada titik awal ketika melihat proses asli pada tanaman. Dalam fotosintesis, titik penting melibatkan pergerakan elektron pada jarak tertentu di dalam sel. Dalam istilah yang sangat sederhana, gerakan ini disebabkan oleh sinar matahari yang kemudian diubah menjadi energi. Hastings menunjukkan bahwa proses ini sangat efisien di alam karena elektron-elektron ini tidak dapat kembali ke posisi semula: “Jika elektron kembali ke tempat asalnya, maka energi matahari hilang.” Meskipun kemungkinan ini jarang terjadi pada tanaman, hal itu cukup sering terjadi di panel surya, menjelaskan mengapa mereka kurang efisien daripada yang asli.
Hastings percaya bahwa “penelitian ini kemungkinan akan memajukan teknologi sel surya yang terkait dengan produksi bahan kimia atau bahan bakar”, tetapi dia dengan cepat menunjukkan bahwa ini hanyalah sebuah ide saat ini dan kemajuan ini tidak mungkin terjadi dalam waktu dekat. “Dalam hal pembuatan teknologi sel surya buatan sepenuhnya yang dirancang berdasarkan ide-ide ini, saya percaya bahwa teknologi lebih jauh di masa depan, kemungkinan tidak dalam lima tahun ke depan bahkan untuk prototipe.”
Satu masalah yang diyakini para peneliti akan segera diselesaikan melibatkan langkah kedua dalam prosesnya: mengubah CO2 menjadi bahan bakar. Karena molekul ini sangat stabil dan dibutuhkan energi yang luar biasa besar untuk memecahnya, sistem buatan menggunakan katalis untuk menurunkan energi yang dibutuhkan dan membantu mempercepat reaksi. Namun, pendekatan ini membawa serangkaian masalah sendiri. Ada banyak upaya selama sepuluh tahun terakhir, dengan katalis yang terbuat dari mangan, titanium dan kobalt, tetapi penggunaan jangka panjang telah terbukti menjadi masalah. Teorinya mungkin tampak bagus, tetapi mereka berhenti bekerja setelah beberapa jam, menjadi tidak stabil, memperlambat atau memicu reaksi kimia lain yang dapat merusak sel.
Tetapi kolaborasi antara peneliti Kanada dan Cina tampaknya telah mencapai jackpot. Mereka menemukan cara untuk menggabungkan nikel, besi, kobalt dan fosfor untuk bekerja dalam pH netral, yang membuat sistem berjalan jauh lebih mudah. “Karena katalis kami dapat bekerja dengan baik dalam elektrolit pH netral, yang diperlukan untuk reduksi CO2, kami dapat menjalankan elektrolisis reduksi CO2 dalam [a] sistem bebas membran, dan karenanya tegangan dapat diturunkan”, kata Bo Zhang, dari Departemen Ilmu Makromolekul di Universitas Fudan, Cina. Dengan konversi daya listrik-ke-kimia sebesar 64% yang mengesankan, tim ini sekarang menjadi pemegang rekor dengan efisiensi tertinggi untuk sistem fotosintesis buatan.
“Masalah terbesar dengan apa yang kita miliki saat ini adalah skala”
Atas usaha mereka, tim mencapai semi-final di NRG COSIA Carbon XPRIZE, yang dapat memenangkan mereka $20 juta untuk penelitian mereka. Tujuannya adalah untuk “mengembangkan teknologi terobosan yang akan mengubah emisi CO2 dari pembangkit listrik dan fasilitas industri menjadi produk yang berharga” dan dengan sistem fotosintesis buatan yang ditingkatkan, mereka memiliki peluang bagus.
Tantangan berikutnya adalah scaling up. “Masalah terbesar dengan apa yang kita miliki saat ini adalah skala. Ketika kami meningkatkan, kami akhirnya kehilangan efisiensi, ”kata De Luna, yang juga terlibat dalam penelitian Zhang. Untungnya, para peneliti belum kehabisan daftar perbaikan mereka, dan sekarang mencoba membuat katalis lebih efisien melalui komposisi yang berbeda dan konfigurasi yang berbeda.
Menang di dua front
Tentu masih ada ruang untuk perbaikan baik dalam jangka pendek maupun jangka panjang, tetapi banyak yang merasa fotosintesis buatan berpotensi menjadi alat penting sebagai teknologi bersih dan berkelanjutan untuk masa depan.
“Ini sangat menarik karena lapangan bergerak sangat cepat. Dalam hal komersialisasi, kami berada di titik kritis,” kata De Luna, menambahkan bahwa, apakah itu berhasil “akan bergantung pada banyak faktor, yang mencakup kebijakan publik dan adopsi oleh industri untuk menerima teknologi energi terbarukan. .”
Mendapatkan ilmu yang benar benar-benar hanya langkah pertama, kemudian. Setelah penelitian oleh Hastings dan Zhang akan muncul langkah penting untuk menyerap fotosintesis buatan ke dalam strategi global kami seputar energi terbarukan. Taruhannya tinggi. Jika berhasil, kami berdiri untuk menang di dua bidang – tidak hanya memproduksi bahan bakar dan produk kimia, tetapi juga mengurangi jejak karbon kami dalam prosesnya.
