Fotoprąd z bakterii. Profesor Sebastian Maćkowski tworzy nowe źródła energii

W Europie powstało międzynarodowe interdyscyplinarne konsorcjum. Współpracujemy z naukowcami z Niemiec, Holandii, Wielkiej Brytanii, Turcji, Włoch. Na postęp technologiczny składa się cała „piramida” wiedzy, a dopiero na samym szczycie jest jej zastosowanie, czyli wdrożenie. Piramidę wznoszą takie mrówki jak ja i moi koledzy. Dzień za dniem, milimetr po milimetrze.

Teoretycznie wiemy, jak należy zbudować sztuczny układ do prowadzenia fotosyntezy, by przypominał naturalny i wykonywał te same funkcje. Oczywiście są szczegóły, o które naukowcy kłócą się zajadle na konferencjach, ale to już tylko szczegóły. Teraz cała sztuka, by tę zgromadzoną wiedzę wykorzystać.

Bardzo, biolog z fizykiem idą do chemika i mówią, że potrzebują określonej molekuły, którą można by ustawić w szeregu jedna za drugą, jak żołnierzy na defiladzie. Tak właśnie wyglądają układy białkowe prowadzące fotosyntezę w liściu czy w komórce bakterii, ułożenie przestrzenne molekuł określa ich właściwości. Chemik pracuje rok, dwa i mu się to nie udaje.

Zacząłem od „anteny”. Próbuję podłączyć do elektrod spreparowany chlorofil i stworzyć strukturę, w której pod wpływem odpowiedniego oświetlenia popłynie fotoprąd. Początkowo pracowaliśmy na prostym układzie fotosyntetycznym z glonów, później na bardziej złożonym pochodzącym z bakterii purpurowych, obecnie korzystamy z ekstraktów z liści szczawiu, których centrum fotosyntezy składa się aż z 300 cząsteczek chlorofilu.

Do pewnego stopnia poprawiłem przyrodę. Chlorofile z bakterii czy alg w moim laboratorium dziesięć razy lepiej pochłaniają światło niż w naturze, a chlorofile ze szpinaku nawet dwustukrotnie lepiej.

Otaczając naturalny układ fotosyntetyzujący metalowymi kulkami stworzyliśmy hybrydę, która absorbuje więcej światła, co, jak przypuszczamy, może się przełożyć na większą liczbę wytwarzanych elektronów.

Dodane przez nas srebrne lub złote kulki, o wielkości kilkunastu nanometrów, działają jak anteny. Gdy światło na nie pada, znajdujące się w nich elektrony zaczynają oscylować i wzmacniają pole elektryczne. Chlorofil znajdujący się w pobliżu metalowej cząstki, odbiera światło, które na niego pada oraz to, wzmocnione przez kulkę. Okazuje się, że sukces zależy od odległości między cząsteczką chlorofilu a kulką metalu i ich ułożeniem przestrzennym względem siebie. Drugi sposób na zwiększenie pochłaniania światła polega na wprowadzeniu kropek kwantowych. Ta metoda nam jeszcze nie wyszła, ale nikomu na świecie nie wyszła, choć wielu już próbowało. Chlorofil absorbuje światło niebieskie i czerwone, można stworzyć strukturę z półprzewodnika, która będzie absorbowała zielone światło i dzięki kropkom kwantowym korzystać z całego spektrum światła. To jest bardzo trudne, ale broni jeszcze nie złożyłem. Sukces tego pomysłu zależy od połączenia układu chlorofilowego ze sztucznym elementem, trzeba to tak zrobić, by energia pochłonięta przez kropkę kwantową została przekazana do chlorofili.

Mamy nadzieję, że jeszcze w tym roku.

Niektórzy naukowcy wierzą, że biologia nigdy nie da tego, co może dać chemia makromolekularna. Jednak zbudowanie sztucznego układu z cząsteczek odpowiednio połączonych i zorientowanych jest nie tylko piekielnie trudne, ale także niewyobrażalnie drogie. Ja uważam, że jesteśmy w stanie skorzystać z naturalnych układów fotosyntetycznych.

Widać ją gołym okiem, ma wielkość małego znaczka pocztowego. Składa się z roztworu ekstraktu roślinnego, który zamykamy w matrycy polimerowej, by go ochronić przed tlenem, a następnie kładziemy na warstwę złotych kulek, srebrnych lub złotych pręcików, albo warstwę pofałdowanego srebra. Jeśli badane przez nas układy pochodzą z bakterii to próbka jest purpurowa, żywo pomarańczowa gdy pochodzi z glonów, a zielona jeśli ze szpinaku.

Próbka, która pochłania światło, fluoryzuje. Zwykłe liście także świecą, ale tego nie widzimy. Im silniej próbka świeci tym silniejszy jest efekt wzmocnienia pochłaniania światła przez nanostruktury. Mamy już tak dobrze opracowaną część projektu związaną z nanocząstkami metalicznymi, że wprowadzamy te rozwiązania do bardziej złożonych układów rozszczepiających elektron. To kolejny etap fotosyntezy poprzedzający syntezę związków chemicznych.

W tym drugim projekcie próbujemy uzyskać urządzenie, które będzie dawało paliwo. I to jest piekielnie trudne. Chcemy wykorzystać naturalne układy fotosyntetyczne, jako część składową elektrod, by po odpowiednim oświetleniu wytwarzały elektrony i rozszczepiały wodę, na tlen i wodór. Wodór byłby albo elementem składowym paliwa, albo paliwem samym w sobie. To jest nasz „święty graal”.

Paliwa słoneczne to nasza jedyna szansa na rozwój. Państwa europejskie mają mało paliw kopalnych i ich zasoby się kończą. Paliwa kopalne kończą się na całym świecie, nie tylko w Europie. W ciągu ostatniej dekady węgiel zdrożał o 200 proc., a ropa naftowa o 300 proc. W tym samym okresie wydobycie gazu ziemnego w Europie zmalało o jedną trzecią, a ropy o połowę. Co oznacza, że wkrótce będziemy zależni od importu i cen dyktowanych przez inne kraje. Dlatego powstał program badawczy EuroSolarFuel, mający na celu otrzymanie paliw przy pomocy energii słonecznej, ale nie nazwałbym tego programu - stanięciem do wyścigu.

By wypracować postęp technologiczny trzeba więcej funduszy. Kilka tygodni temu Komisja Europejska przyjęła tzw. Horyzont 2020, czyli program finansowania programów naukowych. Na badania nad wykorzystaniem fotosyntezy do otrzymywania paliw przewidziano zaledwie 0,08 PKB Unii Europejskiej, podczas gdy na import paliw kopalnych UE wydaje prawie 4 proc. PKB. To byłby dobry podział funduszy, gdyby kopaliny nie wyczerpywały się.

Naukowcy pracujący w programie EuroSolarFuel zachodzą w głowę, w jaki sposób finansować te niezywkle ważne strategicznie badania. Europa ma duży potencjał naukowy, ale żeby go wykorzystać trzeba stworzyć co najmniej dwudziestoletni program badawczy, w którym pracowaliby ludzie z różnych dziedzin nauki. A to jak się okazuje jest bardzo trudne. Najbardziej wpływowi naukowcy prowadzą lobbing, stukają od drzwi do drzwi i pytają o możliwości finansowania badań.

Wyprodukowanie elektryczności to nie to samo, co wyprodukowanie paliwa. Wiatraki nie pracują całą dobę, ponieważ nie ma możliwości magazynowania i przesyłania nadwyżek energii. Prąd wyprodukowany przez wiatraki musi zostać zużyty lokalnie i na bieżące potrzeby. Rozwiązaniem problemu jest jedynie paliwo, które można wlać do beczki i przechować lub przewieźć w inne miejsce.

Nawet w bardzo proekologicznych Niemczech powoli odchodzi się od dopłat do paneli słonecznych. Po pierwsze nie są one wydajne, ich wydajność to około 20% Poza tym trudno znaleźć odpowiednio dużą powierzchnię, którą można by nimi zabudować, bo tylko zwiększając powierzchnię można zwiększyć ilość energii produkowanej tą metodą. Można je stosować na równie małą skalę jak wiatraki. Po drugie panele z czasem się niszczą. Jednak co najważniejsze, nie należy mylić uzyskiwanie prądu ze słońca z produkcją wodoru czy związków chemicznych, na przykład węglowodorów i azotanów, które będzie można potem przerobić na paliwo. Rośliny wykorzystują światło optymalnie, wytwarzanie elektronów jest u nich tylko etapem pośrednim w procesie produkcji paliwa.

Nie mam pojęcia, moim zadaniem jest udowodnić, że to w ogóle możliwe. Być może trudno będzie zbudować jakiekolwiek urządzenie, w którym będzie pracował naturalny chlorofil. Może lepszy skutek odniesie wszczepianie metalowych kulek roślinie, a produkcja paliw wyjdzie w pole. Ale to pieśń bardzo dalekiej przyszłości.

Gdy po doktoracie w 2002 roku opuszczałem Polskę, powstał plan, by pojechać najpierw do Stanów Zjednoczonych, potem do Niemiec, a na koniec wrócić do kraju. Ale mało brakowało i w Polsce bym nie pracował. W 2006 roku wysłałem CV do trzynastu miejsc i tylko trzy odpowiedziały. Jedynie uniwersytet w Toruniu był gotów dać mi kredyt zaufania. To było duże ryzyko, byłem przecież młokosem nie wiadomo skąd, ale ten kredyt już w pewnym stopniu spłaciłem. Stworzyłem grupę badawczą, w tej chwili liczy kilkanaście osób, finansowanych głównie ze źródeł zewnętrznych, wypromowałem już dwóch doktorów.