İnorganik Kimyager Chong Liu, Bitkilerden Daha Verimli Fotosentez Yapan Sistem Geliştirdi

Fotoğraf: GÜNEŞ YILDIZI Kaliforniya Üniversitesinde inorganik kimyager olan Chong Liu, bakteriler ile inorganik maddeleri kombine eden yapay fotosentez yaklaşımına öncülük ediyor.

Bu sistem küçük ölçekte temiz enerji üretiyor.

Chong Liu için, bilimsel bir soru sormak iddiaya girmek gibidir. Tüm enerjini ödül garantisi olmayan zorlu bir problemin çözümüne harcarsın. Öğrenciyken, bir ağacın dalındaki yaprak gibi, hatta daha iyi fotosentez yapabilen bir mekanizma (cihaz) icat edebileceğine dair iddiaya girdi. Artık 30 yaşında olan Chong Liu için, bu bahis finali oynuyor.

“O yeni bir çalışma alanı geliştirdi,” diyor Liu’nun Berkeley, Kaliforniya Üniversitesinde kimyager olan danışmanı Ph.D. Peidong Yang. Liu, başta fotosentezde enerji üreten kimyasal reaksiyonların benzerini yapabilmek için bakterileri metallerle kaynaştırmak ile inorganik metallerle kaynaştırmak arasındaydı, diyor Yang. Liu’nun yapay fotosenteze yönelik yaklaşımı, bir gün, özellikle geniş enerji altyapısına sahip olmayan yerlerde faydalı olabilir.

Liu, ilk olarak lisedeyken kimyaya ilgi duymaya başladı ve daha sonra Şangai, Fudan Üniversitesinde  bu bölümde uzmanlaştı. Okuldayken önüne ket vurulmuş, engellenmiş hissettiğini hatırlıyor; çünkü sorular soruyor ve sorduğu soruların cevabının, onun bilmesi gereken şeylere dahil olmadığı söyleniyordu. Araştırma, cevapları kendi başına bulmak için bir fırsattı ve yapay fotosentez meselesi kendini adamak için yeterince iddialiydı.” Bu yüzden önümüzdeki 10-15 yıl içinde işsiz kalmayacağım,” diyor gülerek

Fotosentez basit fakat güçlü bir proses. Güneş ışığı, karbondioksit ve suyu, şeker molekülerinin kimyasal bağlarında depolanmak üzere, kimyasal enerjiye dönüştürmeye yardımcı oluyor. Fakat doğada, bu proses (süreç),  güneş enerjisinin yalnızca yüzde birini kimyasal enerjiye çevirebildiği için verim oldukça düşük. İşte tam bu noktada Liu, hibrit bir sistemle daha iyi verim alabileceğini düşündü.

Şekil: Chong Liu ve ekibi elektrik akımı üretmek için güneş enerjisini absorbe edebilen suni ‘yapraklar’ tasarladılar. Elde edilen akım, su moleküllerini kendisini oluşturan hidrojen ve oksijen moleküllerine parçaladı. Sudaki bakteriler de havadan gelen karbondioksiti ve elde edilen hidrojeni, yakıtlara ve diğer yararlı kimyasallara çevirdiler.

“Doğada gerçekleşen fotosentezin verimi, bitkilerde ya da bakterilerdeki ışığı absorbe edici pigmentlerin miktarıyla sınırlı,” diyor Liu. İnsanlar, ışığı çok daha verimli şekilde soğurabilen materyaller geliştirdiler. Fakat, bunlarla soğurulan ışık, yakıta dönüştürülme aşamasına geldiğinde bakteriler ışığı çevirerek bunu engelliyor.

“Hibrit (kaynaştırma) yaklaşımını uygulayarak, sistemi her yönden geliştirebilirsin” diyor, Evanston, Northwestern Üniversitesi Güneş Enerjisi Enstititüsü’nün genel müdürü Dick Co.

Liu’ya başta ilham veren, Apollo Era uzay aracının insanlı uzay görevi için yaşam destek ünitesi ile desteklenmiş denemelerinin yapılmış olmasıydı. Düşündüğü şey, astranotların soluk alıp verirken dışarıya verdikleri karbondioksiti besin maddesine dönüştürmek için, özel bakteriler ile inorganik maddeleri kullanmaktı. Ancak Liu’nun ilk girişimleri kayda değer bir yere varamadı. “Verim çok düşük ve bitkiler için düşündüğümden daha kötü bir yöntemdi,”diyor Liu, büyük ihtimalle, sistemin diğer bölümlerinde tokside edici moleküller üretildiği için bakteriler ölüyordu.

Mezun bir öğrenci olarak Liu, bu bakterilere zarar vermeden çalışabilen bir sistem tasarlamak için inorganik kimya bilgisini kullanmaya karar verdi.

İlk olarak, bu özel  bakterilerle kaplanmış nanoteller bulunduran bir sistem dizayn etti. Bu teller tıpkı bir güneş panelinin ışığı absorbe edişi gibi gün ışığını soğurabiliyordu. Tel üzerindeki bakteriler, soğurulan güneş enerjisini, karbondioksiti izo propanol gibi sıvı yakıtlara çeviren kimyasal reaksiyonları gerçekleştirmek için kullanıyorlardı.

Harvard Üniversitesinin Labaratuvarında doktorasını bitirmiş bir kimyager olan Daniel Nocera ve Liu  güçlerini birleştirdiler. Nocera, bir süredir suyu, hidrojen ve oksijen gazlarına parçalamak için güneş panellerinden enerji alacak biyonik ‘yapraklar’ ile hidrojen gazını tüketen ve havadan karbondioksit çeken Ralstonia eutropha bakterileri üzerine çalışıyordu.  Bu mikroplar, genetik olarak maddeleri izopropanol ya da diğer sıvı yakıtlara dönüştürebilecek nitelikteler. Fakat bu proje de diğer bakteri bazlı yapay fotosentez denemelerinde olduğu gibi sonuçlandı: Düşük verim ve birçok ölü bakteri.

“Chong, bu sistemi nasıl verimli hale getirilebileceğini çözdü,” diyor Nocera. “Chong Liu, yakıt üretici bakterileri öldürmeden sistemin içerdiği kimyasal reaksiyonları hızlıca başlatan biyouyumlu (canlılara zararı olmayan) katalizörler icat etti.”

Bu gelişme, bakterilerle maddelerin birbiriyle nasıl etkileştiklerine dair bilgilenmek için sayısız bilimsel tezi dikkatle incelemeyi ve laboratuvarda çok sayıda test yapmayı gerektirdi. Sonunda Liu oksijen molekülünün oldukça reaktif bir türü olan ve mikropları öldüren sistemin problemli katalizörlerini, bakterileri rahatsız etmeyen kobalt-fosfor katalizörleri ile değiştirdi.

Nocera, Chong’un “çok becerikli ve açık fikirli,” olduğunu söylüyor. “Onun farklı alanları bir araya getirip kaynaştırma kabiliyeti, büyük bir nitelik.”

Fotoğraf: Biyonik yapraklar, ağaçlarda gördüğümüz yapraklara benzemiyorlar. Resimdeki kablolar elektrik akımını, su ve mikropla dolu şişelere taşıyor. Ardından mikroplar açığa çıkan hidrojeni yakıta -dönüştürüyor.

Ekip, sonuçları 2016’da science dergisinde yayınladı ve bu sistemin havadan karbondioksiti almada, bitkilerden yaklaşık on kat daha verimli olduğunu bildirdi. Bir kilovat saatlik enerji ile çalışan sistem, Liu’nun hesaplarına göre, havanın 85,000 litresindeki tüm karbondioksiti, yakıta dönüşebilen moleküllere çeviriyor. Araştırmacılar, daha sonra sistemde değişiklik yapmadan sadece farklı bakteriler kullanarak azot gazını suni gübre için amonyağa dönüştürdüler ki böylece suni gübre üretiminde kullanılan yöntemlere daha sürdürülebilir bir yaklaşım sunuldu

Toprak bakterileri de benzer reaksiyonlar gerçekleştirip, havadaki azotu bitkilerin kullanabileceği forma dönüştürüyorlar. Liu, şimdi Kalifornya Üniversitesinde, toprağın inorganik bileşenlerinin, bakterilerin bu ve bunun gibi önemli kimyasal reaksiyonları gerçekleştirme kabiliyeti üzerine etkisini araştırmak için kendi laboratuvarını açıyor. Çünkü toprak ile mikroplar arasındaki ilişkiyi anlamak istiyor ve bu göründüğü kadar delice bir atılım değil, diyor Liu, bahçenizden kazıp çıkardığınız toprak, yapay fotosenteze olan yaklaşımındaki gibi, “inorganik maddeler ile biyolojik maddelerin karışımı”, “bu bir kaynaşım”

Chong Liu, yeni bir iddiaya girmek için hazır! Bu kez, toprakta gerçekleşen reaksiyonları yaratmak üzerine;  tıpkı, bir yaprakta gerçekleşen reaksiyonların taklidini yaptığı gibi.

Kaynak : sciencenews.org