As baterias de açúcar e as folhas falsas iluminarão seu mundo

Poderíamos combinar tecnologia e biologia para produzir energia limpa e renovável – e muito disso

Tenho certeza de que não estou sozinho por ter me sentido um tanto cético em alcançar uma utopia de energia. À medida que o mundo avança para extrair todas as últimas gotas de petróleo e cheiro de gás natural, soluções realistas parecem poucas e distantes.

Mas minha visão mudou no ano passado quando, em uma tenda ligeiramente abafada no Cheltenham Science Festival, um biophysicist de cabelos curly de Cambridge subiu ao palco. Como Chris Forman falou sobre procurar a natureza para inspirar tecnologia, ele me fez pensar sobre a energia de uma maneira radicalmente diferente.

Se pudéssemos aproveitar, armazenar e usar a energia de forma econômica como os sistemas naturais, há potencial para resolver muitos dos nossos problemas de geração de energia em um piscar de olhos. Forman acredita que, ao copiar e melhorar os sistemas naturais, podemos fazer exatamente isso. Embora isso possa soar exagerado, grande parte da pesquisa necessária para tornar a utopia energética de Forman uma realidade já está em andamento.

Vamos começar no início. Embora o aproveitamento da energia possa ser o elo mais fraco da nossa cadeia, a natureza desenvolveu um sistema extremamente eficiente para gerá-la – a fotossíntese.

Talvez você se lembre de como funciona a escola: quando a luz solar atinge as folhas de uma planta, os elétrons são transferidos da água para moléculas “portadoras” especiais, antes de serem usados ??para produzir açúcares para armazenamento nas células da planta. “A natureza é extremamente boa na conversão de energia leve em combustível”, disse a Dra. Lars Jeuken, bióloga sintética da Universidade de Leeds. As plantas minimizam a perda de energia ao mover os elétrons em torno de muito rapidamente, embora eles usem a maior parte da energia que capturam apenas para manter a vida – apenas 1 a 8 por cento acaba como tecido vegetal.

Folhas aproveitam energia solar para produzir açúcares por fotossíntese. Crédito da imagem: Josch13 // CC0

No entanto, quase toda a nossa energia vem da fotossíntese, embora indiretamente. Os combustíveis fósseis são formados a partir dos restos esmagados de plantas antigas e dos animais que os comeram. O que, quando você pensa sobre isso, é uma maneira bastante complicada de aproveitar a energia solar. Pior ainda, desperdiçamos mais de 70% da energia criada a partir da usina.

A tecnologia humana já supera as capacidades de aproveitamento do sol das plantas – os melhores painéis solares comercialmente disponíveis capturam 15% da energia da luz que os atinge e alguns projetos experimentais atingem até 40% . Mas os biólogos sintéticos pensam que podem fazer melhor – engenharia da natureza, na esperança de vencê-lo em seu próprio jogo.

Dr. Erwin Reisner supervisiona uma equipe de pesquisadores da Universidade de Cambridge trabalhando em sistemas fotossintéticos artificiais para produzir combustível de hidrogênio . “Um dos objetivos do meu laboratório é o desenvolvimento de síntese eficiente de combustível solar, combinando abordagens biológicas e sintéticas”, disse Reisner. Sua equipe usa um corante sintético para capturar energia de luz, que é então convertida em combustível de hidrogênio por catalisadores biológicos chamados enzimas. Juntos, as enzimas e corantes sintéticos são integrados em um material fotoativo nanoestruturado – uma folha artificial, de diferentes tipos. Enquanto sistemas híbridos como este poderiam um dia superar painéis solares, Reisner enfatiza que este é um projeto de longo prazo. “Espero que esta pesquisa melhore a compreensão básica da fotossíntese artificial, para permitir a implementação em grande escala de tecnologias de combustível solar nas próximas décadas”, afirmou.

Uma representação de artistas da pesquisa biohíbrida de Jeuken, combinando nanopartículas com proteínas e ouro para emular a fotossíntese. Crédito da imagem: Lars Jeuken

Jeuken é parte de um projeto colaborativo, com Reisner e pesquisadores da Universidade de East Anglia na Inglaterra, para melhorar a eficiência da transferência de elétrons em sistemas fotossintéticos artificiais . “Os últimos sistemas híbridos estão muito longe de onde queremos que eles sejam”, disse ele – ao converter apenas 2% da energia da luz em combustível. A chave para melhorar a eficiência, igual ou mesmo superar a fotossíntese natural, será acelerar as reações, ele me disse – quanto mais rápido movemos os elétrons, menos energia é desperdiçada.

Mas as folhas artificiais apenas geram energia quando o sol brilha. Novas maneiras inovadoras de armazenar energia serão essenciais, pois confiamos no fornecimento intermitente de fontes renováveis. Novamente, nossa melhor aposta pode ser tentar imitar a natureza e, em última instância, melhorar.

O professor Percival Zhang da Virginia Tech desenvolveu uma bateria que imita o armazenamento de energia em células vivas. A natureza armazena energia sob a forma de açúcares – essas moléculas de carboidratos são estáveis, facilmente recicláveis ??e sua produção é cuidadosamente controlada por enzimas, tornando-as moléculas de armazenamento altamente eficientes. As enzimas controlam todas as reações químicas dentro da célula e são um sonho de biólogo sintético – extremamente flexível e facilmente reprogramável.

Os biobatteries à base de açúcar de Zhang usam 13 enzimas sintéticas para produzir eletricidade a partir da maltodextrina com açúcar. As enzimas sintéticas permitem uma liberação de energia extremamente eficiente, e as biobatteries também possuem muitos outros benefícios – o açúcar é uma fonte de energia renovável e barata; Também é biodegradável e totalmente seguro.

O professor Percival Zhang e o Dr. Zhiguang Zhu (Virginia Tech) mostram a sua biotecnologia com base em açúcar. Crédito de imagem: Virginia Tech College of Agriculture and Life Sciences

Mas ainda há trabalho a ser feito. O açúcar pode armazenar mais energia do que as baterias tradicionais, mas a tecnologia atualmente tem pouca potência por polegada quadrada, o que significa que as baterias de açúcar precisarão ser enormes para alimentar nossa tecnologia com energia fome. “Acreditamos que podemos aumentar a sua densidade de energia dez vezes nos próximos anos”, disse Zhang. Ao aperfeiçoar a tecnologia com “melhores nanomateriais, melhores enzimas e melhor design de células de combustível”, eles esperam desenvolver baterias que superarão os sistemas naturais de armazenamento de energia evoluídos ao longo de milhões de anos.

Outro desafio é que as enzimas se degradam lentamente, dando à bio-bateria uma curta vida útil. No momento, pode durar apenas algumas semanas, mas Zhang espera estender isso até meses, até anos, englobando enzimas mais estáveis. Ele pretende ter as primeiras baterias de açúcar no mercado dentro de três anos e já está construindo protótipos de bancos de energia para carregar telefones celulares.

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