موجودات زنده و حیات در کره زمین، انرژی خورشیدی را در طی میلیون‌ها (یا حتی چند میلیارد) سال به سوخت فسیلی تبدیل کرده است. اما اکنون دانشمندان روشی را ابداع کرده‌اند که به‌وسیله آن می‌توان این پروسه چند میلیون ساله را بسیار کوتاه کرد و به یک انرژی تجدید پذیر دست یافت.
دانشمندان دانشگاه کمبریج انگلستان اخیرا مطالعه‌ای را در این زمینه انجام داده‌اند. در این مطالعه روشی جدید برای جدا کردن اکسیژن و هیدروژن داخل آب از طریق یک مسیر فتوسنتزی به‌وسیله آنزیمی به نام هایدروژنس (hydrogenas) بررسی شده است. هرچند که شکستن مولکول‌های آب به عناصر سازنده‌اش و ایجاد سوخت و انرژی یک امر تازه و جدید به‌حساب نمی‌آید، اما تمامی روش‌های انجام این عمل تاکنون بر پایه فرآیندهای گران‌قیمت کاتالیزوری بوده است، به‌طوری‌که اصلا صرفه اقتصادی در انجام این عمل‌ها وجود ندارد. به‌هرحال این روش جدید می‌تواند مقرون‌به‌صرفه باشد.
فتوسنتز فرآیندی است که در طی انجام آن آب و دی‌اکسید کربن، در اثر انرژی خورشیدی (نور آفتاب) بازسازی شده و تبدیل به گلوکز و اکسیژن می‌شوند.
این دقیقا همان فرآیندی است که گیاهان، درخت‌ها و جلبک‌ها و بعضی از باکتری‌های خاص برای بقا خود در طی میلیاردها سال انجام داده‌اند. جالب است که درنهایت همین عمل منجر به تولید سوخت فسیلی‌ای شده که امروزه ما چند صد تن از آن را روزانه می‌سوزانیم.
اما این فرآیند تا هنگامی‌که زمان زیادی برای تولید انرژی لازم داشته باشد، کارآمد نیست. گیاهان تنها مقدار اندکی از انرژی خورشیدی را روزانه استفاده کرده‌اند و در طی چندین سال این سوخت به‌صورت سوخت فسیلی درآمده و اکنون سوزاندن آن نیز منجر به آزادسازی مقدار زیادی دی‌اکسید کربن شده است.
اکنون دانشمندان یک نسخه نیمه مصنوعی از فتوسنتز را ابداع کرده‌اند که به‌وسیله آن می‌توان فرآیند طبیعی فتوسنتز را بسیار بهبود بخشید و دوباره پروسه ساخت انرژی را فعال کرد که در طی مسیر تکاملی گیاهان، کنار گذاشته شده بود. کلید انجام این کار یک آنزیم قدیمی است که با نام هایدروژنس شناخته می‌شود.
شیمی‌دان و سرگروه نویسندگان این تیم تحقیقاتی، کاتارزینا سوکول (Katarzyna Sokół)، بیان کرده است که:
“آنزیم هایدروژنس، آنزیمی است که در داخل جلبک‌ها وجود دارد و قادر است پروتون‌های داخلی عناصر هیدروژن را کاهش دهد.
در طی چندین سال روند تکامل گیاهان و جانوران این فرآیند کاملا غیرفعال شده بود، زیرا این عمل دیگر یک عامل برای بقا جاندار به شمار نمی‌رفت. اکنون ما توانسته‌ایم به‌طور کامل این پروسه را بازسازی کنیم تا به واکنش موردنظر خود برسیم. واکنش موردنظر ما شکستن آب به عناصر سازنده آن یعنی اکسیژن و هیدروژن است.”
تقلید فرآیند فتوسنتز به‌منظور تولید و ذخیره‌سازی انرژی امری است که از مدت‌ها قبل دانشمندان بر روی آن آزمایش می‌کنند. علاوه بر آنکه این فرآیند یک منبع انرژی بالقوه به شمار می‌رود، با استفاده از آن می‌توان میزان دی‌اکسید کربن موجود در هوا را نیز به طرز چشمگیری کاهش داد و آلودگی‌های زیست‌محیطی ناشی از آن را به‌شدت کم کرد.
اما براساس گفته سوکول بیشتر تکنیک‌های انجام‌شده تاکنون نتوانسته‌اند استفاده از این فرآیند را به مرحله صنعتی شدن برسانند؛ دلیل این امر آن است که تکنیک‌های ارایه‌شده عموما گران و یا ناکارآمد بوده‌اند و گاهی مواد استفاده‌شده در آنها به‌مراتب آلودگی‌های بیشتری را به همراه داشته است.
هدف این تیم تحقیقاتی ساخت یک سلول الکتروشیمیایی (مشابه باتری) است. این سلول بر پایه بیوشیمی ذخیره‌سازی نور در یک پروسه که با نام فتوسیستم 2 (Photosystem II) شناخته می‌شود، کار می‌کند.
این سلول ولتاژ لازم برای کار کردن آنزیم هایدروژنس را فراهم می‌کند. با این عمل میزان عنصر هیدروژن داخل آب کاهش یافته و درنتیجه تمامی هیدروژن موجود در آب از اکسیژن کنده شده و بخار می‌شوند. در ظاهر و به‌طور نظری انجام این عمل کار ساده‌ای به نظر می‌رسد، اما قطعا اتصال یک سیستم مصنوعی به یک پروسه طبیعی و آلی کار بسیار سختی است.
اروین رایسنر (Erwin Reisner)، یکی از نویسندگان این تیم و مسئول آزمایشگاه چنین گفته است که:
“این کار با بسیاری از چالش‌های ترکیب مواد بیوشیمی و آلی و درنهایت تبدیل آنها به مواد معدنی مرتبط بوده است. مونتاژ دستگاه‌های نیمه مصنوعی و ساخت یک جعبه‌ابزار برای توسعه سیستم‌های آینده تبدیل انرژی خورشیدی به یک منبع انرژی قابل‌دسترس، فرآیند بسیار پیچیده‌ای است.”
این فرآیند همچنان نیاز به تحقیقات بیشتر و آزمایش‌های گوناگون جدید دارد. پیدا کردن مواد طبیعی و انسانی مناسب برای ساخت این فرآیند در حد صنعتی، می‌تواند منجر به ساخت یک منبع انرژی پاک خورشیدی و ارزان‌قیمت شود.
“این تحقیق می‌تواند یک سکوی اولیه بزرگ برای تکنیک‌های استفاده از انرژی‌های خورشیدی باشد. این رویکرد می‌تواند برای ترکیب کردن واکنش‌های دیگر باهم، برای دیدن نتیجه عمل و یادگیری از آنها استفاده شود. درنهایت نتیجه این مطالعات می‌تواند منجر به ساخت یک تکنولوژی مصنوعی و بسیار قدرتمند برای استفاده از انرژی خورشیدی شود.
کاتارزینا سوکول، سرگروه نویسندگان تیم تحقیقاتی کمبریج”
هرچند همچنان صرفه اقتصادی استفاده از سوخت هیدروژنی بسیار کم است، زیرا چالش‌های زیادی برای ذخیره‌سازی و به‌کارگیری آن در سیستم‌های حمل‌ونقل دیده می‌شود. بااین‌وجود، در عمل این گروه تحقیقاتی، جای بسیاری از پیشرفت‌ها دیده می‌شود.
البته با توجه به بحران آب و هوایی جهانی (که ناشی از وابستگی و استفاده ما از سوخت‌های فسیلی است)، شاید جایگزین‌های ارزان و مطمئنی برای سوخت‌های فسیلی، نتوانند در زمان مناسب ارایه شوند.
