- Conventionele zonne-energie heeft nog niet de ‘sweet spot’ bereikt tussen efficiëntie en prijs
- Nieuwe cyborg-bacteriën maken gebruik van goedkope en efficiënte kunstmatige fotosynthese
- Nu wetenschappers met bacteriën biobrandstof kunnen produceren, neemt onze afhankelijkheid van olie nog verder af
De zorgwekkend snelle bevolkingsgroei forceert ons om – vooral in ontwikkelingslanden – goedkope, hernieuwbare en schone energiebronnen te vinden. Op onze speurtocht naar alternatieven voor fossiele brandstoffen onderzoeken we alle mogelijke opties en kijken we steeds vaker naar hoe Moeder Natuur het doet. Neem bijvoorbeeld fotosynthese, een complex systeem waarin planten met behulp van chlorofyl zonlicht opvangen en omzetten in chemische energie. Dit proces inspireerde onderzoekers aan de Universiteit van Californië, Berkeley, om een manier te vinden om deze biologische energiebron na te bootsen en zelfs te verbeteren.
Conventionele zonne-energie heeft nog niet de ‘sweet spot’ bereikt tussen efficiëntie en prijs
De grootschalige implementatie van traditionele zonne-energie wordt belemmerd door hoge kosten en een laag rendement. Erica Solomon van het Masdar Institute legt uit: “De kosten van zonne-energie beginnen in veel delen van de wereld steeds meer gelijk te lopen met die van goedkopere elektriciteit op basis van fossiele brandstoffen, maar de schone energiebron is nog steeds maar goed voor iets meer dan 1 procent van de wereldwijde elektriciteitsmix.” Dit komt voornamelijk door het gebruik van goedkope, laag-efficiënte zonnecellen die gemaakt zijn van kristallijn silicium. Ze zijn betaalbaar, maar dankzij hun lage output zijn ze niet erg nuttig. In feite kunnen conventionele zonnecellen maar een beperkt aantal soorten licht omzetten in energie, wat een rendement oplevert van ongeveer 10 procent. Hoewel er betere opties beschikbaar zijn, zijn deze vele malen duurder om te produceren. Wetenschappers en ingenieurs zijn echter met nieuwe, radicale benaderingen van zonne-energie aan het experimenteren, waarin chemie en biologie met elkaar gecombineerd worden.
Nieuwe cyborg-bacteriën maken gebruik van goedkope en efficiënte kunstmatige fotosynthese
Kelsey K. Sakimoto, onderzoeker aan Berkeley, bestudeert fotosynthese om te zien of hij het proces kan nabootsen. Hij wil een synthetische versie ontwikkelen die goedkoop genoeg is om commercieel te gebruiken. Een struikelblok is dat chlorofyl slechts een klein deel – ongeveer 1 procent – van de opgevangen zonne-energie omzet in voeding voor planten. Net als traditionele zonnecellen is chlorofyl dan ook niet het antwoord op onze energieproblemen, omdat het simpelweg te inefficiënt is. Sakimoto bedacht vervolgens dat bacteriën wellicht een rol zouden kunnen spelen en ontwikkelde uiteindelijk een “schandalig eenvoudige” oplossing. Zodra hij een mengsel van een zwavelhoudend aminozuur en cadmium toevoegde aan de Moorella thermoacetica, ontdekte hij dat er op de oppervlakte van de bacteriën microscopische nanodeeltjes gingen groeien. Deze deeltjes werkten als zonnecellen en oogstten maar liefst 80 procent van de zonne-energie waaraan ze werden blootgesteld. Dat is 8 keer efficiënter dan traditionele zonnecellen. Omdat de methode zo eenvoudig is, is het goedkoper dan de techniek die nu voor hightech panelen wordt gebruikt. “Deze nanokristallen zijn veel efficiënter dan chlorofyl en het kweken ervan is veel goedkoper dan wat het kost om een zonnepaneel te produceren. Zodra de bacteriën met deze piepkleine zonnepanelen bedekt zijn, kunnen ze voedsel, brandstoffen en kunststoffen synthetiseren, allemaal met behulp van zonne-energie”. Omdat het levende organismen zijn, vermenigvuldigen ze zichzelf; je hoeft ze alleen maar met de basisbouwstenen voor hun nanodeeltjes te voeden.
Nu wetenschappers met bacteriën biobrandstof kunnen produceren, neemt onze afhankelijkheid van olie nog verder af
In essentie creëerde Sakimoto’s kleine cyborg-bacteriën die werken als levende zonnecellen. Net als planten gebruikt de Moorella thermoacetica bacterie zonlicht, water en de CO2 uit de lucht om een nieuwe chemische stof te produceren, in dit geval azijnzuur. De azijn wordt aan andere biologisch ontwikkelde micro-organismen gevoerd om polymeren en biobrandstoffen te produceren. Hierdoor komt er in de toekomst mogelijk een eind aan onze afhankelijkheid van brandstoffen en kunststoffen op aardoliebasis.
Een van de vele voordelen van deze benadering is dat het eenvoudig en goedkoop is. Het enige dat de bacteriën nodig hebben is hun voedingsrijke substantie en zonlicht. Vervolgens doen ze moeiteloos hun werk. Dit proces kan vooral nuttig zijn in de armere delen van de wereld. Omdat deze vaak dichtbij de evenaar liggen, zijn het ideale locaties voor de productie van biobrandstoffen. Het is een goedkope, zelfreplicerende energiebron die gebruikt kan worden voor overvloedige, goedkope energieproductie. Deze biobrandstoffen zouden wel eens de schone energie van de toekomst kunnen worden en de basis voor een nieuw economisch model in ontwikkelingslanden.
Een probleem is echter dat de cadmium sulfide-nanopartikels een bekend carcinogeen zijn en dus giftig voor mensen. Peidong Yang, die toezicht houdt op het lab waar Sakimoto werkt, zegt dat ze nu op zoek zijn naar minder gevaarlijke alternatieven waarmee de bacteriën licht kunnen absorberen en energie kunnen opwekken. Ze hopen binnenkort nog veel meer bacterie-kandidaten te ontdekken waarmee ze het proces mogelijk nog efficiënter kunnen maken.
