Fotossíntese artificial: conversão de luz em combustível

Esquema simplificado da fotossíntese nas plantas

A fotossíntese é a base da vida tal como a conhecemos, o nível mais baixo da cadeia trófica. Se bem que não na sua totalidade (há alternativas residuais), sim na sua grande maioria. E a ideia é simples: aproveitar a energia da luz solar convertendo-a em energia química, que depois poderá ser utilizada pelo organismo para todo o seu ciclo vital.

É uma ideia simples, mas que não soubemos copiar eficientemente. Pelo menos até agora. Os científicos tentam desde há muito tempo desenvolver uma versão artificial da fotossíntese que possa utilizar-se, por exemplo, para produzir combustíveis líquidos a partir do dióxido de carbono e da água.

Heinz Frei, químico da Divisão de Biociências Físicas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (o Berkeley Lab), conduziu recentemente uma investigação, com a colaboração do seu colega de post-doutoramento Feng Jiao, na que descobriram uns cristais de óxido de cobalto de nanómetros de tamanho que podem desenvolver eficazmente una parte crítica da reacção fotossintética: separar nos seus componentes (oxigeno, protões e electrões, sendo que estes últimos são as partes do hidrogeno) as moléculas de água.

A fotossíntese artificial para a produção de combustíveis líquidos oferece a promessa de uma fonte renovável, e neutra em carbono, de energia transportável (com a importância deste aspecto, tal como já foi explicado nesta notícia). O facto de ser neutra em carbono significa que não se esgotaria nem contribuiria ao aquecimento global, uma vez que a oxidação do combustível emitiria tanto carbono (na realidade, o mesmo) como o que tinha sido previamente fixado na fotossíntese artificial, não como quando queimamos petróleo ou carvão agora, que não são provenientes de CO2 atmosférico fixado imediatamente antes.

A ideia é simular, e se fosse possível melhorar, o processo que utilizam as plantas verdes e certas bactérias, recorrendo à estratégia de integrar numa só plataforma sistemas que possam capturar os fotões solares e sistemas catalizadores que possam oxidar a água. Uma vez obtidos os protões e os electrões, não apresenta tantos inconvenientes o investimento da sua energia química associada na conversão de CO2 em hidrocarbonetos (metanol, como se vê na figura).

Para levar a termo eficazmente esta oxidação da água mediante a energia dos fotões (foto-oxidação) eficazmente precisa-se um catalizador que seja eficaz no uso dos fotões solares e ainda o suficientemente rápido para seguir o ritmo imposto pelo fluxo de fotões (utiliza-los ao ritmo que o Sol os envia, por dizer de alguma maneira), com a finalidade de não desperdiçar esses fotões. Os cachos de nanocristais de óxido de cobalto são suficientemente eficazes e rápidos, e também robustos (duram muito tempo), muito abundantes na terra e baratos.

Frei e Jiao vão desenvolver estudos adicionais para conhecer melhor o porquê de os cachos de nanocristais de óxido de cobalto serem foto-catalizadores eficazes e de alta velocidade, e vão tentar encontrar também outros catalizadores eficazes, mas, de todas as maneiras, como diz Frei: achamos que temos um componente catalítico promissor para o desenvolvimento de um sistema integrado de conversão solar de combustível.

Neste vídeo da LBNL pode-se observar uma solução de água com este catalizador sobre a que incide um laser, fazendo que o líquido fique azul e pouco depois emita o oxigeno gasoso proveniente da oxidação da água:

Informação adicional em LBNL

Micróbios para armazenar energia

Archeobacterias Methanospirillum, um dos tipos que mais metano produz

As energias renováveis, produtoras de electricidade, enfrentam um problema que tende a agravar-se com a sua expansão: nos períodos de menor demanda, se não se consome toda a electricidade produzida, a mesma não pode ser armazenada.

Uma equipa de engenheiros da Universidade do Estado de Pensilvânia (Penn State), nos Estados Unidos, descobriu uns micróbios do reino Archaea que a partir de dióxido de carbono e água podem produzir metano, através da adição de electricidade, e sem emissão de hidrogeno, obtendo assim uma fonte de hidrocarbonetos portátil, e teoricamente neutra em relação à fixação ou emissão de carbono.

Os microrganismos metanogénicos produzem metano em lixeiras e zonas pantanosas, mas os científicos pensavam que estes organismos convertiam materiais orgânicos, como o acetato, em metano, emitindo também hidrogeno. No entanto, estes investigadores, ao tentar produzir hidrogeno nas células por electrólise microbiana, encontraram uma produção de metano muito superior ao esperado.

Toda a geração de metano que ocorre na natureza, e que assumimos que se produz em conjunto com emissão de hidrogeno, pode ser que não seja processada assim, disse Bruce E. Logan, professor de engenharia ambiental da Penn State. Realmente encontramos muito pouco hidrogeno em fase gasosa na natureza. Talvez assumimos que o hidrogeno estava a ser sintetizado, quando não era assim.

Logan, em colaboração com Shaoan Cheng, investigador associado, Defeng Xing, investigador de posdoutoramento, e Douglas F. Call, estudante de posgraduação de engenharia ambiental, confirmaram que os organismos microscópicos produziram o metano. Os investigadores criaram uma célula de duas câmaras com um ânodo submerso na água num lado da câmara e um cátodo na água, e nutrientes inorgânicos e dióxido de carbono no outro lado da câmara. Aplicaram uma tensão, mas só durante um minuto. Depois recobriram o cátodo com um filme biológico de Archaea, os microrganismos objecto de estudo, e não só houve fluxo de corrente no circuito, mas também as células produziram metano.

A única maneira de chegar a ter corrente com a voltagem utilizada é que os micróbios estejam directamente a aceitar electrões, disse Logan. E assinala também que a reacção electroquímica se desenvolve sem nenhum tipo de catalizadores e com um nível de energia menor do que o necessário para a conversão de dióxido de carbono em metano utilizando métodos convencionais, não biológicos.

Estas células obtêm uma eficiência do 80 por cento na passagem de electricidade a metano, e como utilizam dióxido de carbono como matéria prima, o processo viria a ser neutro em relação ao carbono se a electricidade provêm de uma fonte diferente dos hidrocarbonetos, como a solar ou a eólica.

O processo não sequestra carbono, mas transforma o dióxido de carbono em combustível, disse Logan. Se o metano se queima e o dióxido de carbono é capturado, então o processo pode ser neutro em relação à fixação ou emissão de carbono.

Logan sugere para os casos de excesso de electricidade pontual (nos momentos de menor demanda) o método de captura em um combustível transportável. E considera que o metano é preferível ao hidrogeno, porque uma grande parte das infra-estruturas actuais de gestão de hidrocarbonetos poderiam facilmente transporta-lo.

Os escorpiões realmente preferem as zonas áridas

Os escorpiões preferem sempre os climas áridos

Sabemos que a resistência às altas temperaturas e a capacidade de conservar a água durante longos períodos de tempo, confere aos escorpiões a possibilidade de prosperar nas zonas mais quentes e áridas do mundo. Mas, esta distribuição global pode ser observada também a nível local? E ainda, podendo estar num clima mais suave, irão preferi-lo?

O estudante de mestrado Shmuel Raz e os seus colegas da Universidade de Haifa, em Israel, apresentaram um relatório no número de Abril da revista de livre acesso PLoS ONE no que demonstram que é esse o caso, inclusive quando temos um habitat tipo europeu e outro tipo africano separados por não mais do que 100 metros.

Faço aqui um aparte para recomendar esta revista, PLoS ONE, assim como a iniciativa que a sustenta, em relação à sua intenção de distribuir e fomentar gratuitamente a ciência entre os seres humanos.

Shmuel Raz e os seus colegas estudaram as comunidades de escorpiões num vale perto do Monte Carmelo, em Israel, que foi denominado Evolution Canyon. Este vale tem fortes inclinações e a sua disposição é aproximadamente de leste a oeste, o que significa que a encosta virada a sul pode receber até oito vezes mais radiação solar do que a orientada ao norte. Portanto, apesar de idênticas em relação à geologia e clima, uma encosta apresenta habitat africano, tipo savana árida, enquanto a outra apresenta um viçoso mato rasteiro, mais europeu, estando separadas ambas encostas por uma estreita faixa que facilmente pode ser atravessada pela maior parte dos animais, incluindo os escorpiões.

Os investigadores recolheram cerca de 200 indivíduos de seis espécies diferentes de escorpiões neste vale. Quatro das espécies foram encontradas em ambas encostas do vale, mas as outras duas só foram encontradas no lado “africano” do mesmo.

Ainda, no total, o lado “europeu” apresentava um 30% menos de escorpiões que o “africano”. Portanto, apesar da facilidade de movimento entre as duas encostas do vale, as adaptações dos escorpiões às condições áridas e as suas preferências determinaram que houvesse uma maior abundância na zona virada a sul, a encosta “africana”.

As diferenças na diversidade de espécies entre as encostas viradas a norte e a sul foram observadas também em outros grupos animais, e em bactérias, fungos e plantas, o que indica que as pressões ambientais provocadas por factores tais como a quantidade de sol, a temperatura e a pluviosidade, tanto individualmente como combinados, podem actuar muito localmente introduzindo mudanças na biodiversidade global.

Artigo original em bio-medicine.org