Fusão de vida fotossintética com célula solar oferece caminho para energia verde

Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/03/2022

Esquema de funcionamento do dispositivo híbrido, meio ser vivo, meio tecnológico.
[Imagem: Christine M. Lewis et al. - 10.1021/jacs.1c09291]

Célula solar meio viva

A fotossíntese artificial lidera hoje as pesquisas que buscam novas formas de gerar energia imitando a natureza, tentando fazer tudo de modo sustentável.

Mas, em vez de criar dispositivos sintéticos que imitem a natureza, Christine Lewis e colegas da Universidade do Estado do Arizona, nos EUA, acreditam que pode ser mais fácil aproveitar diretamente o que já está pronto.

Nessa abordagem, eles criaram um dispositivo híbrido, parte organismo vivo, parte bateria e parte célula solar.

A grande vantagem é que o dispositivo é capaz de produzir energia não apenas quando o Sol está brilhando: Ele também aumenta o fluxo de energia sob condições de luz onde a fotossíntese natural é normalmente inibida.

"Este projeto envolve desvendar os mistérios envolvidos com a transferência de energia. Especificamente, trabalhamos na ligação da energia artificial com a fotossíntese natural, explorando a segunda metade da cadeia de transporte de elétrons fotossintética," detalhou Lewis. "Os objetivos da pesquisa são ter a capacidade de ativar a fotossíntese à vontade, eventualmente torná-la mais eficiente e produzir produtos energéticos estáveis."

A equipe acredita que o avanço dessas tecnologias híbridas oferece um caminho verde para a produção de uma ampla gama de produtos úteis, incluindo combustíveis líquidos para transporte, agroquímicos, produtos terapêuticos, cosméticos, plásticos e até suplementos humanos e animais.

O "problemático" fotossistema II foi eliminado, melhorando a eficiência do dispositivo.
[Imagem: Christine M. Lewis et al. - 10.1021/jacs.1c09291]

Fotossíntese 2.0

Embora a fotossíntese seja ideal para suprir as necessidades energéticas de plantas e outros organismos fotossintéticos, a taxa com que a luz solar é convertida em energia química útil é muito baixa para suprir as necessidades energéticas humanas atuais.

São vários os fatores limitantes importantes em termos de eficiência na conversão de energia na fotossíntese natural. Um dos mais importantes é que os organismos fotossintéticos usam apenas uma pequena porção do espectro da luz solar, especificamente a luz vermelha visível.

Em segundo lugar, a taxa de fixação de carbono é muito lenta para aplicações práticas, e aumentá-lo requer um aumento na taxa de elétrons que se movem através da cadeia de transporte.

Finalmente, os organismos fotossintéticos só podem lidar com uma quantidade limitada de elétrons excitados pelo Sol de cada vez. Se a cadeia de transporte de elétrons for alimentada demais de uma só vez, o processo pode deixar de funcionar por danos causados pela luz, que podem até mesmo matar a célula. Essa limitação na eficiência energética se deve principalmente a um componente-chave na maquinaria de transporte de elétrons da célula, um complexo de proteínas conhecido como fotossistema II.

A equipe lidou com essa limitação no transporte de elétrons usando uma cianobactéria geneticamente modificada para realizar a ciclagem fotossintética de elétrons - sem um componente do fotossistema II. Com a ajuda de mediadores químicos, os elétrons são transportados do polo negativo do dispositivo para a cadeia de transporte de elétrons da cianobactéria, que acaba funcionando com uma bateria. Como o fotossistema II vulnerável à luz foi eliminado, o processo fotossintético ocorre por uma via alternativa, ou seja, através do fotossistema I.

Para testar esse dispositivo híbrido com rigor, a equipe submeteu-o a uma iluminação com luz de intensidade extremamente alta, que mataria as células vegetais naturais - e tudo funcionou perfeitamente, sem interrupções.

O biodispositivo híbrido funcionou mesmo com luz de uma intensidade que destruiria um sistema de fotossíntese natural.
[Imagem: Christine M. Lewis et al. - 10.1021/jacs.1c09291]

Futuro sustentável

Segundo a equipe, este sistema, quando devidamente otimizado, poderá usar células solares comuns para fornecer os elétrons externos necessários para alimentar as reações fotossintéticas.

A energia fotovoltaica poderia fornecer elétrons de comprimentos de onda de zero até milhares de nanômetros, fornecendo um espectro muito mais amplo para a coleta de luz do que o normalmente disponível para a fotossíntese natural.

"Até o ano de 2050, com a expansão global se movendo no ritmo que está, nossas necessidades de energia superarão nossa oferta. No entanto, podemos agir agora para aprender como fornecer energia eficiente e mais limpa," disse Lewis. "É meu objetivo contribuir para a próxima 'descoberta' que ajudará a tornar esta grande esfera azul um lugar melhor."

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