Nanodraadjes helpen bacteriën grondstof te maken uit zonlicht

Door materialen op nanoschaal te combineren met bacteriën, zijn wetenschappers erin geslaagd om een systeem te maken waarmee koolstofdioxide, water en zonlicht in bruikbare organische componenten om te zetten zijn, vergelijkbaar met fotosynthese in planten.

Het systeem werd bedacht door onderzoekers van de University of California, Berkeley. De halfgeleider met nanodraadjes vangt zonne-energie op en zet dit om in elektriciteit. De nanodraadjes geven de elektronen door aan electrotrophen die tussen de draadjes leven. Dit zijn speciale bacteriën die elektronen kunnen ontvangen. De electrotrophen gebruiken de elektronen om koolstofdioxide en water om te zetten in andere chemische bouwstenen. Deze bouwstenen worden dan doorgegeven aan genetisch aangepaste E. coli, die daar weer allerhande andere producten van kunnen maken.

De onderzoekers toonden een werkend exemplaar van dit systeem en maakten hier butanol mee. Butanol is een stof die veel wordt gebruikt in de organische chemie, geneesmiddelenindustrie en als toevoeging in brandstoffen.

Er zit wel een addertje onder het gras: de efficiëntie van het systeem is laag; het is ongeveer net zo efficiënt als natuurlijke fotosynthese. Dat betekent in dit geval een energie-omzetting van 0,38 procent. Planten zetten met behulp van zonlicht via fotosynthese tussen de 0,1 en 2 procent om in biomassa, wat voor een plant voldoende is, maar niet om economisch rendabel te zijn.

De winst van deze oplossing ten opzichte van andere systemen die via elektrodes energie aan bacteriën voeden, is dat het systeem direct het zonlicht gebruikt via een foto-elektrode in plaats van een zonnecel die er eerst elektriciteit van maakt om die vervolgens door te voeren naar een elektrode. De bacteriën hebben directe interactie met het licht-absorberende onderdeel, iets wat volgens de onderzoekers voor het eerst is. Een ander voordeel van de nanodraadjesstructuur is dat het direct voor een anaerobe of zuurstofloze omgeving zorgt. De gebruikte bacteriën verdragen geen zuurstof, waardoor het opschalen van deze oplossing makkelijker lijkt dan bij andere oplossingen.

Het uiteindelijke doel is om een synthetisch systeem te ontwikkelen, zegt een van de auteurs Peidong Yang tegen Technology Review. Zo'n systeem moet stabieler zijn dan een systeem gebaseerd op bacteriën: bacteriën moeten in leven gehouden worden en dat is geen sinecure. Ook zijn bacteriën relatief langzaam in het omzetten van stoffen in vergelijking tot chemische katalysatoren. Het is nu een kwestie van heel precies uitzoeken hoe de bacteriën op de elektronen inwerken en andersom. Mogelijk komt er ooit een synthetische versie van dit systeem uit, hoopt Yang.

Reacties (23)

[Lacsapix]

Dus dit is een plantloze vorm van fotosynthese?
Dus je kunt hiermee O2 maken?
Dat zou betekenen dat een permanente ruimte basis of mars colonie een stuk dichterbij komt!
of kan iemand mij uit mijn geek-droom wekken?

[wuto007]

Ik betwijfel het. De atmosfeer van Mars bestaat bijna geheel uit CO2 (rond de 95%), maar is extreem dun - de luchtdruk bedraagt minder dan 1% van die op aarde. Zelfs als alle CO2 wordt omgezet in zuurstof (en pure zuurstof is ook niet bepaald gezond) is er niet eens genoeg luchtdruk om onbeschermd in te kunnen lopen - laat staan om te kunnen ademen.

In theorie is het natuurlijk mogelijk om een afgesloten ruimte vol te pompen met zuurstof die gemaakt wordt van CO2 uit de atmosfeer, maar dan zal dit een trage en omslachtige manier zijn. Het is waarschijnlijk handiger om de zuurstofproductie te regelen met een externe stroombron.

[Lacsapix]

geen terraforming dus, jammer
tenzei wij Venus kunnen laten afkoelen/leeg laten lopen.

[morrowyn]

En dat vervoeren naar mars :-) om daar een dikkere atmosfeer te bouwen

[Nonstop decay]

Als plantloze fotosynthese je zo verbaast, kijk dan eens naar cyanobacteriën: https://nl.wikipedia.org/wiki/Blauwalgen Fotosynthese was er al voordat er planten waren, en dat is aan deze "jongens" te danken. Waarschijnlijk zijn het ook deze bacteriën die ooit in een "voorloper-plantencel" terecht zijn gekomen, waardoor die cel in staat werd om te fotosynthetiseren.

Met deze bacteriën worden trouwens ook al heel interessante dingen gedaan, zoals (net als hierboven genoemd) butanol maken, bijvoorbeeld als biobrandstof (zie: http://photanol.com/?page_id=1862 ).

Hoe dan ook, interessant onderzoek dit.

[misterbennie]

Volgens mij wel

Het is het combineren van water en kooldioxine naar een complexere vorm.
Water en kooldioxine erin en een (complexe) koolwaterstof en zuurstof eruit

[Reactie gewijzigd door misterbennie op 5 augustus 2024 17:26]

[Ge Someone]

Misschien met een extra stap, maar deze bacteriën kunnen zelf niet tegen zuurstof. Dus voor O₂ beter iets op basis van fotosynthese, zou ik denken.

[SpiekerBoks]

Interessante ontwikkeling maar vooralsnog is het efficiënter om zonlicht eerst om te zetten in elektriciteit en vervolgens via elektrochemie in waterstof of andere brandstoffen. Ondanks de extra stappen is het systeemrendement dan een stuk hoger.

Bovendien maakt het het mogelijk om ook windenergie en andere hernieuwbare stroombronnen te gebruiken voor de productie van brandstoffen. Audi werkt in Duitsland aan een concept dat uit CO2 en water direct diesel produceert met elektriciteit uit welke bron dan ook.
http://www.duurzaambedrij...-opnieuw-uit-met-e-diesel

[Reactie gewijzigd door SpiekerBoks op 5 augustus 2024 17:26]

[Maulwurfje]

Maar een groot voordeel van dit systeem is dat alle beginstoffen (CO2, water en "zonlicht") beschikbaar zijn, zonder daar toevoerstromen voor te maken. Net zoals planten dit doen. Op de manier die jij beschrijft, ben je afhankelijk van meerdere toevoerstromen.

[Jolke]

Naast efficiëntie in opbrengst (yield) is natuurlijk ook tijd belangrijk. Hoeveel massa wordt er tijdseenheid omgezet?

[Elfjes]

Is uit te rekenen. De verbrandingswarmte van butanol is zo'n 33 MJ/kg ofwel 0.9 kWh/kg. Voor de vorming van butanol heb je dus ook zoveel energie nodig. Nederland krijgt gemiddeld zo'n 2.7 kWh zonlicht per m2 per dag. Met een efficiëntie van 0.38% levert dat dus
2.7 * 0.0038 / 0.9 = 11 gram per m2 dag

Tel uit je winst

[Thomzh]

Mooi aspect hieraan is natuurlijk ook het gebruik van CO2.

[papa_san]

Bij organische processen liggen de bereikbare eindwaarden vaak laag.
In zo'n geval is schaalvergroting vaak een oplossing om e.a. economisch toch haalbaar te maken.

Vraag is nu eerder of er systeem is gemaakt waar je de butanol kunt afvoeren en nieuwe elementen kan aanvoeren om nog meer butanol te maken, of dat je iets hebt wat na verloop van tijd stopt, en dan opnieuw bebouwd moet worden.

[Verwijderd]

De belangrijkste stap die gemaakt moet worden is transparantie, niet efficiëntie.
Bladeren kunnen prima functioneren in de schaduw van 1 of 2 andere bladeren. Lage efficiëntie maar hoge stapelbaarheid was de oplossing in de natuur. Zou in principe hier ook mee moeten kunnen.

En dit zou kunnen betekenen dat we onafhankelijk kunnen worden van groene planten, of dat goed nieuws is weet ik niet, de kans dat er over 40 jaar geen regenwoud meer bestaat word zo ook groter.

[Shuttereye]

Van Nederlandse bodem: CO2 naar methaan, onderzoek in Wageningen.
http://library.wur.nl/WebQuery/wurpubs/456570 (open access)
Er wordt ook onderzoek gedaan naar productie van vetzuren e.d. uit CO2 (Wageningen (WUR), (U)Gent, Leeuwarden (Wetsus)

[Verwijderd]

Als ze ze nog een klein beetje aan die efficiëntie doen zie ik de toepassingen wel! Een jas die je telefoon kan opladen op het moment dat je ermee rondloopt bijvoorbeeld.

[Esumontere]

Er wordt wel stroom opgewekt in dit systeem, maar dat heeft als toepassing om bacteriën in werking te stellen die vervolgens organische moleculen maken. Dat heeft bijzonder weinig te maken met het opladen van je telefoon.

[B00m3rang]

Dat is volgens mij niet wat er mee bedoeld word. Volgens mij bedoelen ze dat licht (fotonen) omgezet wordt in electronen die vervolgens aan bacterien gevoed worden die daarme op een natuurlijke manier co2 omzetten in andere biomassa's. Een soort sytetische fotosynthese. Maar dan net iets efficienter. Een jas die je telefoon oplaad als je loopt zie ik niet als een van de mogelijkheden. Als je kan uitleggen waarom je dat denkt dan graag!

OT: 0.32% is erg laag ookal is dit natuurlijk niet te vergelijken met huidige zonnepanelen want die maken geen biomassa. Ik hoop dus ook dat ze snel op een economisch rendabel percentage komen waardoor er op grote schaal bouwstoffen voor brandstof en plastics kunnen worden geproduceerd

[Esumontere]

Ben wel benieuwd wat ze als 'nanodraadjes' gebruiken. Opzich best een gaaf idee, om het principe van een ordered hetero-junction zonnecel niet te gebruiken als electriciteits-bron, maar als synthese systeem. Ik vraag me echter af of de efficiëntie van het systeem ooit in de buurt gaat komen van de momenteel gebruikte technieken, en of het dus ooit economisch nut gaat hebben.

[Blazing-Studios]

Misschien een leuk weetje: de E Coli bacterie zit ook in (menselijke) uitwerpselen oftewel POEP.
(volledig offtopic:) Mijn vader (een dokter) waarschuwde ons daar altijd voor, begon de E Coli's als poepmonsters te zien als kind