“En akılcı enerji kaynağı, en bol, ucuz ve temiz olandır” deniliyorsa, bitkilerin insanlardan çok daha akılcı oldukları da söylenebilir. Milyarlarca yıl boyunca, bitkiler dünyanın en verimli güç kaynağını oluşturdular. Güneş ışığını, karbondioksiti ve suyu kullanarak, fotosentezle oksijen ürettiler. Bitkilerin (algler ve bazı bakterilerle birlikte), “kullanılabilir yakıtları”, karbonhidratlar, proteinler ve yağlardır. Öte yandan insanların, otomobilleri için sıvı yakıta ve buzdolaplarını çalıştırmak için elektriğe ihtiyaçları var. Bilim insanları, yıllardır, bitkilerin enerji sistemini farklı üretimlerde kullanmak amacıyla taklit etmenin bir yolunu bulmaya çalışıyorlar.

Enerji girdisi olarak güneş ışığından başka bir şey kullanmayan bitkiler, çok büyük enerji dönüşümleri gerçekleştirerek, her yıl yaklaşık 1.000 milyar ton CO2’yi organik maddeye, yani, hayvanlar için gıda formundaki enerjiye dönüştürüyorlar. Ve bunu, yeryüzüne ulaşan güneş ışığının yalnızca yüzde 3’ünü kullanarak yapıyorlar. Güneş ışığındaki enerji, yeni anlamaya ve kullanmaya başlamış olduğumuz bir kaynaktır. Mevcut fotovoltaik-pil teknolojisi, tipik bir yarı iletken tabanlı sistemdir. Pahalıdır, çok verimli değildir ve güneş ışığından elektriğe yalnızca depolanamayan anlık dönüşümler yapmaktadır. Ancak, daha gelişmiş yapay bir fotosentez sistemi yani bitkilerde meydana gelenleri başarıyla eksiksiz taklit edebilen bir foto-elektro-kimyasal (PEC) sistem, ihtiyaç duyduğumuz tüm temiz gaz ve elektrik enerjisinin sonsuza kadar, nispeten ucuz bir şekilde tedarik edilmesini sağlayabilir.

Yapay Fotosentez Yaklaşımları

Bitkilerin mükemmelleşmiş fotosentez yapabilme özelliğini yeniden yaratmak için, bir enerji dönüşüm sistemi iki önemli şeyi (yapısal olarak “yaprağın” işlevini görecek bir tür nanotüpün içinde) yapabilmelidir: Güneş ışığını toplayabilmeli ve su moleküllerini bölebilmeli. Bitkiler bu işlemleri, güneş ışığını yakalayan klorofilleri ve bu ışığı, su moleküllerini hidrojen, elektronlar ve oksijen (protonlar) haline getirmek için proteinleri ve enzimleri kullanarak gerçekleştirirler. Daha sonra, elektronlar ve hidrojen, CO2’yi karbohidratlara dönüştürmek için kullanılır ve oksijen açığa çıkar.

Yapay bir sistemin insan ihtiyaçlarına yanıt verecek biçimde çalışabilmesi için çıktıları değişmelidir. Reaksiyonun sonunda, yalnızca oksijenin serbest bırakılması yerine, sıvı hidrojen de (veya belki de metanol) serbest bırakılmalıdır. Bu hidrojen doğrudan sıvı yakıt olarak kullanılabilir veya bir yakıt bataryasına yönlendirilebilir.

Güneş ışığını yakalamak sorun değil ve güneş enerjisi sistemleri bunu kolayca yapıyor. Zaten su moleküllerinde bulunduğundan, hidrojeni üretme sürecini oluşturmak da sorun değil, çünkü hidrojen su moleküllerinde zaten var. Zor olan, hidrojeni üreten kimyasal işlem için gerekli elektronları elde etmek amacıyla su moleküllerinin bölünmesidir. Bu, yaklaşık 2.5 voltluk bir enerji girişi gerektirmektedir. Yani, süreci başlatacak bir katalizör gerekmektedir. Katalizör, güneşin fotonları ile etkileşerek kimyasal reaksiyonu başlatır. Bu alanda geliştirilen başarılı katalizörlerden bazıları şunlardır:

Manganez:

Manganez, bitkilerin fotosentez yapımında kullandığı bir katalizördür. Tek bir manganez atomu suyu işlemek üzere güneş ışığını kullanan doğal süreci tetikleyebilir. Manganezin yapay bir sistemde kullanılması biyomimetrik bir yaklaşımdır ve bitkilerin biyolojisini doğrudan taklit eder.

– Boya Duyarlı Titanyum Dioksit:

Titanyum dioksit (TiO2), etkili bir katalizör olan stabil bir metaldir. 1990’lı yıllardan beri, Graetzel hücresi olarak da bilinen, boya duyarlı bir güneş pilinde kullanılmaktadır. Bir Graetzel hücresinde, TiO2, güneş ışığını yakalayan ve daha sonra reaksiyonu başlatmak için TiO2’ye maruz bırakan bir boya partikülleri tabakası içinde süspansiyon halinde bulunmaktadır.

– Kobalt Oksit:

Nano boyutlu kobalt oksit molekülü (CoO) kümeleri, yapay fotosentez sistemlerinde, kararlı ve yüksek verimli tetikleyiciler olarak kullanılmaktadır. Kobalt oksit çok bol bulunan bir moleküldür ve günümüzde çok popüler, başarılı bir endüstriyel katalizördür.

Yapay Fotosentez Uygulamaları

Enerji üretiminin diğer yöntemlerinden farklı olarak, yapay fotosentez birden fazla yakıt türü üretme potansiyeline sahiptir. Fotosentetik işlem, ışık, CO2 ve H2O arasındaki reaksiyonlar sonucunda sıvı hidrojen üretecek biçimde ayarlanabilmektedir. Hidrojenle çalışan motorlarda, sıvı hidrojen benzin gibi kullanılabilir. Ayrıca, fotosentez işlemini etkin bir şekilde tersine çevirip, hidrojen ve oksijeni suya karıştırarak elektrik yaratacak bir yakıt sistemi kurulumuna da dönüştürülebilir. Hidrojen yakıt sistemleri, klima ve su ısıtıcılarımızı çalıştırmak için şebekeden aldığımız elektriği sağlayabilir. Büyük ölçekli hidrojen enerjisi üretimi ile ilgili problem, sıvı hidrojenin verimli ve temiz bir biçimde nasıl üretileceğidir. Yapay fotosentez bu probleme çözüm sunmaktadır.

Metanol başka bir olası çıktıdır. Fotosentezle işleminde saf hidrojen yerine, foto-elektro-kimyasal işlemle metanol (CH3OH) üretilebilir. Metanol veya metil alkol, genellikle doğalgazdaki metandan elde edilerek, daha temiz bir yanma sağlamak için ticari benzine eklenir. Bazı araçlar yalnızca metanolle bile çalışabilir. Sera gazı gibi zararlı yan ürünler üretmeyen, temiz bir yakıt elde etme yeteneği, yapay fotosentezi çevre için ideal bir enerji kaynağı yapmaktadır. Ne su ne de karbondioksit sınırlı olmadığından, uzun vadeli düşünüldüğünde, diğer enerji kaynaklarından potansiyel olarak daha ucuz ve sınırsız bir kaynaktır. Aslında, bu foto-elektro-kimyasal reaksiyon, yakıt üretim sürecinde, büyük miktarlardaki zararlı CO2’yi de azaltarak havayı temizleme olanağı da sağlamaktadır. Ancak, yapay fotosentezin kitlesel ölçekte kullanılması konusunda çeşitli engeller de bulunmaktadır.

Yapay Fotosentez Oluşturmadaki Güçlükler

Enerji üretiminde verimlilik çok önemlidir. Bitkilerin, verimli bir şekilde çalışan fotosentez sürecini geliştirmeleri milyarlarca yıl gerektirdi. Bunun bir benzerini sentetik bir sistemde gerçekleştirmek çok fazla deneme yanılmayla mümkündür. Bitkilerde etkin bir katalizör gibi davranan manganez, insan yapımı bir düzende yeterince işe yaramamaktadır, çünkü dengesiz yapıdadır ve suda çözünmemektedir. Diğer bir engel ise, bitkilerdeki moleküler geometrik yapının olağanüstü karmaşıklığıdır. İnsan yapımı kurulumlar, bu karmaşık yapı düzeyini henüz aynı mükemmellikte kopyalayamamaktadır.

Stabilite, birçok potansiyel fotosentez sistemlerinde bir sorundur. Organik katalizörler, sıklıkla bozulabilmekte veya sistemin çalışmasına zarar verebilecek ek reaksiyonları tetiklemektedir. İnorganik metal-oksit katalizörler daha iyi sonuç vermektedir. Ancak sistemdeki fotonların verimli kullanımını sağlamak için yeterince hızlı çalışmalıdırlar. Bu tür bir katalitik hıza ulaşılması güçlük yaratmaktadır. Ve yüksek hıza sahip olan bazı metal oksitler de bol bulunabilirlik açısından sorun oluşturmaktadır.

Boya duyarlı sistemlerde ise sorun katalizör değil, bölünmüş su moleküllerinden protonları emen elektrolit çözeltisi oldu. Bu, pilin önemli bir parçasıydı, ancak sistemdeki diğer bileşenleri aşındıran uçucu çözücülerden yapılmaktaydı. Sorun, araştırmacıların solvent bazlı olmayan bir çözelti geliştirmeleriyle çözüldü. Ayrıca, kararlı, hızlı ve bol miktarda bulunan kobalt oksitin kullanıldığı sistemler, rutenyum (Ru) ve rodyum (Rh) elementlerinin iyonlarından yapılmış supramoleküllerin kullanıldığı ya da galyum nitrür kullanılan ve hem kaynak suyu hem de tuzlu suyla hidrojen üretebilen sistemler de yukarıda değinilen çeşitli güçlüklerin hızla aşılmasını sağlıyor.

Kaynakça:
– Katharina Brinkert, “Energy Conversion in Natural and Artificial Photosynthesis”, Springer.
– Anthony F. Collings, Christa Critchley, “Artificial Photosynthesis: From Basic Biology to Industrial Application”, Wiley-VCH.

Yazar: Oben Güney Saraçoğlu

CEVAP VER

Please enter your comment!
Please enter your name here