Brandstof maken uit zonlicht

Je elektrische auto opladen bij z’n snellaadpaal is, tjsa, niet heel erg snel. Stroom uit zonlicht is schoon maar niet voor alle toepassingen even handig. Dus zou het mooi zijn wanneer we een zonnepaneel gewoon vaste brandstof kunnen laten maken. En daar wordt aan gewerkt!

Planten gebruiken het proces van fotosynthese om zonlicht om te zetten in vaste brandstof, zoals suiker. En dat kan je gemakkelijk opslaan. Daarom werken wetenschappers aan de ontwikkeling van kunstmatige fotosynthese. Een artikel waar Groningse natuurkundigen aan meewerkten beschrijft hoe een deel van zo’n systeem werkt. Dat is handig bij het ontwerpen van zonnepanelen die vast brandstof produceren uit licht. En misschien ook voor de bouw van kwantumcomputers.

Jasper Knoester, hoogleraar theoretische natuurkunde aan de RUG, is een van de auteurs van het artikel waarvan op 1 juli een voorpublicatie is verschenen op de website van het tijdschrift Nature Chemistry. “Het stuk gaat over nanobuisjes, gemaakt van opeengepakte kleurstofmoleculen, die licht kunnen oogsten”, vertelt hij. Deze buisjes, met een doorsnede van een paar nanometer (dat is een miljoenste millimeter) en een lengte die kan oplopen tot enkele micrometers (dat is een duizendste millimeter), kunnen gebruikt worden om de energie uit zonlicht op te vangen en door te geven.

“We hebben bestudeerd hoe de buisjes energie doorgeven. In tegenstelling tot fotovoltaïsche zonnecellen produceren deze buisjes geen elektrische stroom, maar een bewegend energiepakketje dat bestaat uit trillingen in de kleustofmoleculen.” Knoester vergelijkt deze moleculen met stemvorken. “Wanneer je een hele rij stemvorken hebt, en je slaat er eentje aan, dan zullen de stemvorken die er het dichtst bij staan mee gaan trillen. Op die manier wordt de trillingsenergie doorgegeven.” In het fotosynthesecomplex van een plant beweegt de energie op deze manier van de licht-oogstende moleculen naar een actief centrum, waar brandstof gemaakt wordt uit deze energie.

“De laatste jaren is gesuggereerd dat bij energietransport door natuurlijke fotosynthese complexen kwantummechanische processen een rol spelen”, vertelt Knoester. “Dat is opvallend, omdat werd aangenomen dat kwantummechanische processen alleen zichtbaar zijn in zeer kleine structuren bij zeer lage temperaturen.” Het kwantum-effect waar het hier om gaat is ‘coherentie’. Simpel gezegd: zonne-energie die op een licht-oogstend complex terechtkomt, wil de kortste weg naar het actieve centrum nemen. En het energiepakketje vindt die kortste weg door alle mogelijke wegen tegelijkertijd te nemen en dan te ‘besluiten’ welke de kortste is. Dit zou deels de enorme efficiëntie kunnen verklaren, waarmee planten energie transporteren naar het actieve centrum. Die bedraagt maar liefst 95 procent.

De nanobuisjes die Knoester en collega’s uit Duitsland en de VS al een jaar of tien bestuderen, bestaan uit een binnenste en een buitenste laag. Een belangrijke vraag is of de twee lagen als één systeem functioneren of als twee onafhankelijke systemen.

“We wilden vooral weten of er coherentie optreedt tussen de lagen”, legt Knoester uit. “Daar bestaan tegenstrijdige gegevens over.” In een cruciaal experiment oxideerden zij daarom beetje bij beetje de buitenste laag terwijl de absorptie van licht werd gemeten. Door de oxidatie veranderen namelijk de absorptie-eigenschappen van de kleurstof.

De conclusie uit het experiment is dat de twee lagen los van elkaar functioneren. “Dat wil zeggen, bij kamertemperatuur.” Een tweede experiment bevestigde het resultaat.

“Dit geeft ons een beter begrip van de relatie tussen de moleculaire structuur van de nanobuisjes en hun eigenschappen”, legt Knoester uit. Deze kennis helpt bij het ontwerpen van nieuw licht-oogstende moleculen voor systemen die zonlicht in vaste brandstof moeten gaan omzetten. “En daarnaast geeft het resultaat ons een fundamenteel inzicht in de rol die kwantummechanica speelt bij de werking van deze nanobuisje. Bovendien hebben we nu een modelsysteem waarmee we die kwantummechanische effecten kunnen bestuderen.”

En dat is niet alleen nuttig voor het bouwen van een nieuw type zonnecellen, maar wellicht ook voor de ontwikkeling van kwantumcomputers. Dankzij coherentie kan een ‘kwantum-bit’ op één moment verschillende waarden hebben. Daarom kunnen kwantumcomputers in theorie veel sneller rekenen dan gewone computers met binaire bits. Maar tot nu toe is het lastig gebleken om kwantum-bits te maken die bij kamertemperatuur werken. “Dat toont aan hoe belangrijk het is kwantumeffecten te bestuderen die optreden in biologische en kunstmatige fotosynthese systemen.”

Zie ook het persbericht van de RUG en van MIT.