Fotossíntese: mecanismo fundamental para a vida neste planeta, flagelo dos estudantes de biologia do GCSE e agora uma forma potencial de combater as mudanças climáticas. Os cientistas estão trabalhando duro para desenvolver um método artificial que imita como as plantas usam a luz do sol para transformar CO2 e água em algo que possamos usar como combustível. Se funcionar, será um cenário de ganha-ganha: não só nos beneficiaremos com a energia renovável produzida dessa forma, mas também pode se tornar uma forma importante de reduzir os níveis de CO2 na atmosfera.
No entanto, as plantas demoraram bilhões de anos para desenvolver a fotossíntese e nem sempre é uma tarefa fácil replicar o que acontece na natureza. No momento, as etapas básicas da fotossíntese artificial funcionam, mas não com muita eficiência. A boa notícia é que as pesquisas nesse campo estão ganhando força e há grupos em todo o mundo dando passos no sentido de aproveitar esse processo integral.
Fotossíntese em duas etapas
A fotossíntese não se trata apenas de capturar a luz solar. Um lagarto tomando banho de sol quente pode fazer isso. A fotossíntese evoluiu nas plantas como uma forma de capturar e armazenar essa energia (a parte “foto”) e convertê-la em carboidratos (a parte “síntese”). As plantas usam uma série de proteínas e enzimas alimentadas pela luz solar para liberar elétrons, que por sua vez são usados para converter CO2 em carboidratos complexos. Basicamente, a fotossíntese artificial segue as mesmas etapas.
“Na fotossíntese natural, que faz parte do ciclo natural do carbono, temos luz, CO2 e água entrando na planta e a planta produz açúcar”, explica Phil De Luna, doutorando que trabalha no Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da a Universidade de Toronto. “Na fotossíntese artificial, usamos dispositivos e materiais inorgânicos. A parte real de coleta de energia solar é feita por células solares e a parte de conversão de energia é feita por catalisadores eletroquímicos [reações na presença de] ”.
O que realmente atrai esse processo é a capacidade de produzir combustível para armazenamento de energia de longo prazo. Isso é muito mais do que as fontes de energia renováveis atuais podem fazer, mesmo com a tecnologia de bateria emergente. Se o sol não está forte ou se não é um dia de vento, por exemplo, os painéis solares e os parques eólicos simplesmente param de produzir. “Para armazenamento sazonal prolongado e armazenamento em combustíveis complexos, precisamos de uma solução melhor”, diz De Luna. “As baterias são ótimas para o dia a dia, para telefones e até para carros, mas nunca iremos operar um [Boeing] 747 com bateria.”
Desafios para resolver
Quando se trata de criar células solares - a primeira etapa no processo de fotossíntese artificial - já temos a tecnologia em vigor: sistemas de energia solar. No entanto, os painéis fotovoltaicos atuais, que são normalmente sistemas baseados em semicondutores, são relativamente caros e ineficientes em comparação com a natureza. Uma nova tecnologia é necessária; um que desperdiça muito menos energia.
Gary Hastings e sua equipe da Georgia State University, Atlanta, podem ter tropeçado em um ponto de partida ao examinar o processo original nas fábricas. Na fotossíntese, o ponto crucial envolve mover elétrons a uma certa distância na célula. Em termos muito simples, é esse movimento causado pela luz solar que mais tarde é convertido em energia. Hastings mostrou que o processo é muito eficiente na natureza porque esses elétrons não podem voltar à sua posição original: “Se o elétron voltar para o lugar de onde veio, a energia solar é perdida.” Embora essa possibilidade seja rara em plantas, ela acontece com bastante frequência em painéis solares, explicando por que eles são menos eficientes do que os reais.
Hastings acredita que esta "pesquisa provavelmente avançará as tecnologias de células solares relacionadas à produção de produtos químicos ou de combustível", mas ele é rápido em apontar que esta é apenas uma ideia no momento e é improvável que esse avanço aconteça tão cedo. “Em termos de fabricação de uma tecnologia de célula solar totalmente artificial projetada com base nessas ideias, acredito que a tecnologia está mais distante no futuro, provavelmente não nos próximos cinco anos, mesmo para um protótipo.”
Um problema que os pesquisadores acreditam que estamos próximos de resolver envolve a segunda etapa do processo: converter o CO2 em combustível. Como essa molécula é muito estável e requer uma quantidade incrível de energia para quebrá-la, o sistema artificial usa catalisadores para diminuir a energia necessária e ajudar a acelerar a reação. No entanto, essa abordagem traz seu próprio conjunto de problemas. Houve muitas tentativas nos últimos dez anos, com catalisadores feitos de manganês, titânio e cobalto, mas o uso prolongado se mostrou um problema. A teoria pode parecer boa, mas eles param de funcionar após algumas horas, tornam-se instáveis, lentos ou desencadeiam outras reações químicas que podem danificar a célula.
Mas uma colaboração entre pesquisadores canadenses e chineses parece ter acertado em cheio. Eles encontraram uma maneira de combinar níquel, ferro, cobalto e fósforo para trabalhar em um pH neutro, o que torna o funcionamento do sistema consideravelmente mais fácil. “Uma vez que nosso catalisador pode funcionar bem em eletrólito de pH neutro, que é necessário para a redução de CO2, podemos executar a eletrólise de redução de CO2 em [a] sistema sem membrana e, portanto, a voltagem pode ser diminuída”, diz Bo Zhang, da Departamento de Ciência Macromolecular da Universidade Fudan, China. Com uma conversão de energia elétrica em química impressionante de 64%, a equipe agora é detentora do recorde com a mais alta eficiência para sistemas de fotossíntese artificial.
“O maior problema com o que temos agora é a escala”
Por seus esforços, a equipe chegou às semifinais no NRG COSIA Carbon XPRIZE, que poderia render $ 20 milhões para suas pesquisas. O objetivo é “desenvolver tecnologias inovadoras que irão converter as emissões de CO2 de usinas de energia e instalações industriais em produtos valiosos” e com seus sistemas de fotossíntese artificial aprimorados, eles têm uma boa chance.
O próximo desafio é aumentar a escala. “O maior problema com o que temos agora é a escala. Quando aumentamos a escala, acabamos perdendo eficiência ”, diz De Luna, que também esteve envolvido no estudo de Zhang. Felizmente, os pesquisadores não esgotaram sua lista de melhorias e agora estão tentando tornar os catalisadores mais eficientes por meio de composições e configurações diferentes.
Vencendo em duas frentes
Certamente ainda há espaço para melhorias em curto e longo prazo, mas muitos acham que a fotossíntese artificial tem o potencial de se tornar uma ferramenta importante como tecnologia limpa e sustentável para o futuro.
“É incrivelmente empolgante porque o campo está se movendo muito rapidamente. Em termos de comercialização, estamos no ponto de inflexão ”, afirma De Luna, acrescentando que o seu funcionamento“ vai depender de uma série de fatores, que incluem políticas públicas e a adoção pela indústria de tecnologias de energias renováveis . ”
Portanto, obter a ciência certa é realmente apenas o primeiro passo. Na esteira da pesquisa de nomes como Hastings e Zhang, virá o movimento crucial para absorver a fotossíntese artificial em nossa estratégia global em torno da energia renovável. As apostas são altas. Se isso der certo, teremos a vitória em duas frentes - não apenas na produção de combustíveis e produtos químicos, mas também na redução de nossa pegada de carbono no processo.