Kunstmatige fotosynthese: zonlicht rechtstreeks omzetten in brandstof
Elke plant, alg en veel bacteriën doen het al drie miljard jaar: zonlicht opvangen en daarmee, met water en kooldioxide (CO2) als grondstof, suikers maken. Dat proces heet fotosynthese en levert als bijproduct de zuurstof die wij inademen. Zie een blad als een piepklein zonnepaneel dat niet elektriciteit maakt, maar brandstof: de suikers zijn in feite opgeslagen zonne-energie, die de plant later weer kan verbranden (verademen) om te groeien.
Onderzoekers proberen dat natuurlijke productieproces al decennia na te bootsen met kunstmatige middelen, in een veld dat kunstmatige fotosynthese heet. Het idee: gebruik zonlicht om water te splitsen in waterstof en zuurstof, of om CO2 om te zetten in bruikbare brandstoffen, zonder tussenkomst van levende cellen. Dat zou een manier zijn om zonne-energie niet in een batterij, maar in een chemische stof op te slaan die je kunt vervoeren, bewaren en later verbranden — precies zoals een plant dat met suiker doet.
Wat is het precies?
Natuurlijke fotosynthese verloopt in twee stappen. In de eerste stap vangt het groene pigment chlorofyl lichtdeeltjes (fotonen) op. Die energie wordt gebruikt om watermoleculen te splitsen in zuurstof, waterstofkernen (protonen) en elektronen. Dit heet de lichtreactie en gebeurt in gespecialiseerde structuren in de plantencel, de chloroplasten. In de tweede stap, de zogeheten Calvin-cyclus, worden die protonen en elektronen gebruikt om CO2 uit de lucht om te zetten in suikermoleculen. Dit hoeft geen direct zonlicht meer, daarom heet het ook wel de lichtonafhankelijke reactie.
Kunstmatige fotosynthese kopieert dit basisidee met technische onderdelen in plaats van biologische. Een halfgeleider (hetzelfde soort materiaal als in een zonnepaneel) vangt het licht op en wekt een elektrische spanning op. Die spanning drijft een katalysator aan: een stof die een chemische reactie versnelt zonder zelf te verbruiken. De katalysator splitst water in waterstofgas en zuurstofgas, een proces dat elektrolyse heet. In geavanceerdere systemen wordt niet alleen water gesplitst, maar wordt CO2 uit de lucht direct omgezet in bruikbare koolstofverbindingen zoals mierenzuur, methanol of syngas (een mengsel van koolstofmonoxide en waterstof dat als basis dient voor allerlei chemische producten).
Sommige onderzoeksgroepen gaan een stap verder en combineren de technische waterstofproductie met levende bacteriën die de waterstof en CO2 daarna zelf omzetten in vloeibare brandstof. Dat noemt men een hybride of biohybride systeem: techniek en biologie werken samen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het hoofddoel is zonne-energie omzetten in een vorm die je kunt opslaan en vervoeren, iets waar batterijen minder geschikt voor zijn bij grote hoeveelheden energie of lange periodes. Waterstof en synthetische brandstoffen zijn zulke opslagvormen: ze kunnen worden getransporteerd, bewaard en op een later moment worden gebruikt, bijvoorbeeld in de zware industrie, de scheepvaart of de luchtvaart, sectoren die moeilijk volledig op batterijen kunnen overstappen.
Daarnaast hopen onderzoekers CO2 uit de atmosfeer of uit industriële rookgassen te kunnen hergebruiken als grondstof in plaats van als afvalstof, wat zou bijdragen aan het terugdringen van broeikasgasuitstoot. Een derde ambitie is decentrale productie: in plaats van grote raffinaderijen zou je in theorie op kleine schaal, met alleen zonlicht, water en CO2, brandstof kunnen maken, wat interessant is voor afgelegen gebieden.
Voorbeelden uit de praktijk
Een paar bekende mijlpalen en projecten:
- Het "artificial leaf" van Daniel Nocera (2011) — de Amerikaanse scheikundige, destijds verbonden aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT), publiceerde een kunstmatig blad: een siliciumcel bedekt met goedkope katalysatoren (op basis van kobalt en een nikkel-molybdeen-zinklegering) die met zonlicht water splitst in waterstof en zuurstof.
- Bionic Leaf (Harvard, vanaf ongeveer 2015-2016) — Nocera werkte later bij Harvard samen met bioloog Pamela Silver aan een vervolgversie die de geproduceerde waterstof voedt aan gemanipuleerde bacteriën, die er op hun beurt vloeibare brandstof zoals isopropanol van maken.
- Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP) — een grootschalig Amerikaans onderzoeksprogramma, opgezet rond 2010 met steun van het ministerie van Energie en getrokken door Caltech en het Lawrence Berkeley National Laboratory, gericht op het systematisch ontwikkelen van goedkope, stabiele katalysatoren.
- Drijvend kunstmatig blad, Universiteit van Cambridge (2019) — de groep van scheikundige Erwin Reisner ontwikkelde een dun, drijvend apparaat dat op open water zonlicht gebruikt om CO2 en water om te zetten in syngas, geïnspireerd op waterplanten die op het wateroppervlak drijven.
- Waterstofpaneel van KU Leuven — de onderzoeksgroep van chemicus Johan Martens presenteerde een zonnepaneel dat waterstofgas produceert uit de vochtigheid in de lucht, zonder vloeibaar water nodig te hebben; een proefopstelling met meerdere panelen werd op een universiteitsdak in Leuven geïnstalleerd en de technologie is nadien verder commercieel ontwikkeld.
Hoe ver is de techniek?
Kunstmatige fotosynthese is grotendeels een laboratorium- en pilottechnologie. Individuele bouwstenen werken: er bestaan katalysatoren die water kunnen splitsen en systemen die CO2 kunnen omzetten in eenvoudige koolstofverbindingen. In het lab zijn met zonlicht-naar-brandstof-omzettingen inmiddels rendementen gehaald die de paar procent van natuurlijke fotosynthese overtreffen, al verschillen de gerapporteerde cijfers sterk per opstelling en zijn ze lang niet altijd onder realistische buitenomstandigheden gemeten.
De grootste obstakels liggen niet zozeer in het principe, maar in de praktijk: veel goed werkende katalysatoren bevatten zeldzame of dure metalen, verliezen na verloop van tijd hun werking, of werken alleen efficiënt onder laboratoriumcondities. Opschalen van een proefopstelling met een paar panelen naar een installatie die op industriële schaal brandstof levert, blijft een aanzienlijke technische en financiële uitdaging. Er is tot nu toe geen enkele kunstmatige-fotosyntheseinstallatie die op grote schaal commercieel brandstof produceert; het gaat vooralsnog om demonstratieprojecten en spin-offbedrijven die de techniek stap voor stap proberen te commercialiseren.
Wie werken eraan?
Onderzoek naar kunstmatige fotosynthese wordt wereldwijd gedaan, met name aan universiteiten en publiek gefinancierde onderzoeksinstituten. In de Verenigde Staten trekken Caltech en het Lawrence Berkeley National Laboratory, via het JCAP-programma, veel fundamenteel onderzoek, met financiering van het Amerikaanse ministerie van Energie. Harvard University is bekend van het werk van Daniel Nocera en Pamela Silver. In Europa is de groep van Erwin Reisner aan de Universiteit van Cambridge toonaangevend, en in België doet de onderzoeksgroep van Johan Martens aan de KU Leuven internationaal meetellend werk, onder meer via een spin-offbedrijf dat de waterstofpaneeltechnologie verder ontwikkelt. Ook Japanse bedrijven zoals Panasonic hebben eigen onderzoeksprogramma's naar kunstmatige fotosynthese lopen, gericht op de omzetting van CO2 in bruikbare chemicaliën. Daarnaast lopen er binnen de Europese Unie diverse gezamenlijke onderzoeksprojecten die universiteiten uit meerdere lidstaten combineren met industriële partners.