Wodór może służyć jako paliwo i nośnik energii. W ogniwie paliwowym reaguje z tlenem, wytwarzając energię elektryczną, a produktem tej reakcji jest woda. Zanim jednak będzie można z niego skorzystać, trzeba go wytworzyć, co wymaga dostarczenia energii. Jednym z najbardziej kuszących rozwiązań jest użycie światła słonecznego. Może ono pobudzać fotokatalizator – materiał, który pochłania światło i dzięki uzyskanej energii pomaga przeprowadzić reakcję prowadzącą do wydzielenia wodoru. Docelowo mogłoby to być bezpośrednie rozdzielenie wody na wodór i tlen. O niskoemisyjności całego procesu decydują jednak również sposób budowy instalacji, użyte materiały oraz dodatkowa energia potrzebna do jej działania.

Pojawia się też problem pozornie banalny: światło musi dotrzeć do fotokatalizatora. W niewielkim naczyniu laboratoryjnym wystarczy skierować lampę na próbkę. W większej instalacji promieniowanie jest jednak pochłaniane i rozpraszane, zanim przeniknie w głąb cieczy. Fotoreaktory wymagają więc dużych przezroczystych powierzchni, płytkich zbiorników albo sieci cienkich kanałów. Utrudnia to zwiększanie skali instalacji. Dodatkową przeszkodą jest zmienność nasłonecznienia. Sztuczne źródła światła pozwalają uniezależnić się od pory dnia i pogody, lecz zwiększają zużycie energii oraz koszty procesu. Ich wpływ na środowisko zależy przy tym od tego, w jaki sposób wytworzono zasilający je prąd.

Naukowcy z Uniwersytetu Gdańskiego i Instytutu Fizyki Jądrowej PAN postanowili więc sprawdzić, czy światło można wytwarzać wewnątrz reaktora. Sięgnęli po bioluminescencję, czyli światło emitowane przez żywe organizmy. Do doświadczeń wykorzystali bakterie Vibrio harveyi. Mikroorganizmy te wytwarzają niebieskozielony blask, którego barwa dobrze odpowiada zakresowi promieniowania pochłanianego przez badany fotokatalizator. Zamiast prowadzić światło przez ściany naczynia, można byłoby otoczyć nim wydzieloną część reaktora, w której powstaje wodór.

Nie oznacza to oczywiście uzyskania energii z niczego. Bakterie potrzebują substancji odżywczych i tlenu, a utrzymanie ich hodowli także pochłania zasoby. Biologiczna „lampka” mogłaby jednak świecić bezpośrednio wewnątrz instalacji, tam, gdzie promieniowanie zewnętrzne dociera z trudem.

Badacze postanowili sprawdzić, czy ten intrygujący pomysł ma szansę zadziałać.

Najpierw przygotowali fotokatalizator na bazie siarczku cynku i indu, domieszkowany miedzią i wzbogacony nanocząstkami platyny. Oświetlony zwykłą lampą laboratoryjną skutecznie pomagał w wydzielaniu wodoru. Próby prowadzono jednak w modelowych mieszaninach zawierających substancje, które ułatwiały reakcję i były podczas niej zużywane. Nie była to więc jeszcze technologia rozszczepiania czystej wody ani gotowy sposób przemysłowej produkcji „zielonego” wodoru.

Następnie przyszła kolej na biologiczne źródła światła. Fluorescencyjne białko GFP wymagało wzbudzania zewnętrznymi diodami, więc samo nie rozwiązywało problemu. Reakcja lucyferyny z lucyferazą (czyli substancji odpowiedzialnych za bioluminescencję - czyli związku chemicznego, który ulega utlenieniu, z enzymem, który przyspiesza tę reakcję) dawała jasny błysk, ale gasł on po około 30 sekundach. Najwięcej nadziei dawały bakterie. Badacze dobierali temperaturę, zasolenie, napowietrzanie i skład pożywki. Wykorzystali także zmodyfikowany szczep z białkiem GFP, który w doświadczeniu emitował mocniejsze światło. Zbudowali pięć wersji reaktora. W najbardziej rozbudowanej świecące mikroorganizmy otaczały naczynie z fotokatalizatorem, a odblaskowa powłoka kierowała uciekające promieniowanie z powrotem ku jego wnętrzu.

Mimo tych zabiegów sygnał wskazujący na powstawanie wodoru pozostawał na granicy wykrywalności, a wyników nie udawało się powtórzyć. Czy problemem była barwa światła, konstrukcja reaktora, czy po prostu zbyt mała liczba fotonów? Aby to ustalić, naukowcy zastąpili bakterie diodami emitującymi światło o bardzo podobnej barwie i stopniowo zwiększali jego moc.

Odpowiedź okazała się jednoznaczna. W badanym układzie wodór zaczynał być wykrywalny przy mocy promieniowania wynoszącej około 20 mikrowatów. Zmodyfikowane bakterie osiągały w krótkotrwałym maksimum około 0,47 mikrowata – niemal 43 razy mniej. Wyznaczony próg dotyczy konkretnego katalizatora, konstrukcji reaktora i warunków doświadczenia, ale po raz pierwszy pozwolił liczbowo określić skalę problemu.

Wyniki te badacze opublikowali w czasopiśmie „Chemical Engineering Journal”.

Dzięki tym badaniom wiadomo już, jak dużą różnicę trzeba nadrobić. Pomóc mogą jaśniejsze szczepy bakterii, hodowle stale zasilane pożywką, lepiej kontrolowane napowietrzanie, czulsze fotokatalizatory oraz cienkie reaktory przepływowe, w których żaden fragment materiału nie znajduje się daleko od źródła światła. W przyszłości bioluminescencja może zainspirować nowy sposób projektowania instalacji – takich, w których światło powstaje dokładnie tam, gdzie jest potrzebne. Najpierw jednak biologiczna poświata musi stać się wystarczająco silnym i stabilnym źródłem promieniowania.

Krzysztof Petelczyc (PAP)

kmp/ zan/