Nyt molekyle gør kunstig fotosyntese tæt på virkeligheden

Erstatning af Naturlig Fotosyntese

Direkte eller indirekte er en meget stor del af den energi, vi bruger, blevet produceret gennem fotosyntese.

Dette er naturligvis sandt for de kalorier, der driver vores kroppe, men i sidste ende også for fossile brændstoffer, som blot er “lagret” fotosyntese fra planter, der døde for milliarder af år siden.

Derfor er mange bestræbelser på at gøre vores energi‑ og fødevaresystem grønnere dedikeret enten til at forbedre naturlig fotosyntese eller udnytte den til nye formål, som at skabe biobrændstoffer fra alger.

At bygge den i stor skala kan vise sig at være afgørende for at begrænse den stigende CO₂‑koncentration i atmosfæren.

Men hvad hvis vi kunne efterligne fotosynteseprocessen uden at skulle håndtere levende organismer? Det er trods alt en elektrokemisk proces, der ikke nødvendigvis kræver levende celler for at foregå. Dette er løftet om såkaldt “kunstig fotosyntese”.

Det ville løfte vores evne til at indfange solens energi et skridt over fotovoltaik, som kun kan “kun” skabe elektricitet ud af sollys, men ikke direkte påvirke kemiske reaktioner.

Some progress has been made, især i retning af fotosyntese‑lignende brintproduktion, men der kræves mere arbejde for at skabe en tættere efterligning.

Hvordan Fotosyntese Fungerer i Naturen

I sin enkleste form optager fotosyntesen i planter CO2 og vand, bruger lys som energikilde og producerer kulhydrater og ilt.

Kilde: Britannica

Ved første øjekast ser det ud til, at dette kan reduceres til en meget simpel kemisk ligning og let kunne replikeres kunstigt.

Kilde: Britannica

Det er en anden historie, når man ser på, hvordan det faktisk foregår.

Plantens fotosyntese er faktisk en af de mest komplekse biokemiske maskiner, med dusinvis af mellemliggende reaktioner, et utal af underkomponenter og nogle gange ikke så velforståede molekylære mekanismer, der involverer indviklede elektronbevægelser.

Den syntetiske forklaring af dette emne i Britannica‑encyklopædien er ikke mindre end 10.000 ord.

Forskere, der studerer det, må håndtere betydeligt mere komplekse skemaer for blot at få et overblik over fotosyntesen:

Kilde: Lumen Learning

Selvom fotosyntese primært i naturen bruges til at skabe kulhydrater, kunne den i teorien også anvendes til mange andre formål, hvor lys bruges som energikilde, for eksempel syntese af brint fra vand (fotokatalyse).

En lignende proces med lysinduceret bevægelse af elektroner og ioner kan også bruges til at fremstille sukkerstoffer kunstigt. Tre forskere ved Universitetet i Basel i Schweiz arbejder med denne idé. De offentliggjorde for nylig i Nature Chemistry¹ deres resultater om et nyt molekyle, der kan bruges til kunstig fotosyntese, under titlen “Photoinduced double charge accumulation in a molecular compound”.

Bygning af Kunstig Klorofyl

Multi-Ladnings Molekyler

Naturlig fotosyntese bygger på en række elektrokemiske reaktioner. Derfor kræver den en såkaldt ladningssepareret tilstand (CSS), hvor et molekyle samtidig bærer en positiv og en negativ ladning.

Det er vigtigt, at brændstofdannende reaktioner kræver flere elektroner og ikke kun én, hvilket hidtil har været det bedste, kunstige fotosyntesesystemer kunne opnå.

Især ved reduktion af CO2 synes overførsel af flere elektroner at være afgørende. Det er også grunden til, at de fleste hidtidige løsninger til kunstig fotosyntese i stedet har fokuseret på produktion af brint.

Her ændrer de schweiziske forskeres opdagelse mulighederne: De har skabt et særligt molekyle, som under lysbestråling kan danne og lagre fire ladninger samtidigt – to positive og to negative.

Kilde: Nature

Hvordan Virker Det?

Molekylet har en lysfølsom midterdel, som får en elektron til at bevæge sig som reaktion på lys. Forskerne valgte en sekventiel metode med to lysglimt.

Det første lysglimt rammer molekylet og udløser en reaktion, hvor en positiv og en negativ ladning dannes og bevæger sig mod hver sin ende af molekylet.

Ved det andet lysglimt gentages reaktionen, så molekylet derefter indeholder to positive og to negative ladninger.

Kilde: Nature

Forbedret Lysfølsomhed

Det sekventielle trin, hvor lys anvendes i en totrinsproces, er vigtigt både for at ophobe en dobbelt elektrisk ladning i hver ende af molekylet og for at reducere energibehovet i hvert trin. Dermed kan systemet fungere ved lavere lysintensitet end tidligere.

Kilde: Nature

“Dermed nærmer vi os allerede sollysets intensitet.

Tidligere forskning krævede ekstremt kraftigt laserlys, hvilket lå meget langt fra visionen om kunstig fotosyntese.”

Mathis Brändlin – ph.d.-studerende ved Universitetet i Basel

Hvorfor Dette Molekyle Er et Vigtigt Skridt Fremad

En anden vigtig egenskab ved det nye molekyle er, at det bevarer sin ladning længe nok til at drive yderligere kemiske reaktioner. Det er et nødvendigt krav til ethvert komplet system til kunstig fotosyntese.

“Vi har identificeret og gennemført en vigtig brik i puslespillet.

Vi håber, at dette kan hjælpe os med at bidrage til nye muligheder for en bæredygtig energifremtid.”

Prof. Oliver Wenger – Universitetet i Basel

Med en ladningsbevarelse på 120 mikrosekunder – tusind til en million gange bedre end tidligere – bør tiden være tilstrækkelig til kemiske reaktioner, selv om den ideelle varighed ville blive målt i sekunder.

Sammenlignet med lysfølsomme molekyler med én ladning eller kun én ladningstype fra tidligere forsøg er dette derfor hidtil det mest lovende molekyle til udvikling af kunstig fotosyntese.

Yderligere justeringer af designet kan forbedre dets evne til at fungere ved naturlig lysintensitet eller bevare de elektriske ladninger endnu længere.

Den anden centrale del af en kunstig fotosynteseproces, som stadig mangler at blive udviklet, er et pigment med højenergetiske exciterede tilstande samt egnede katalysatorer, der kan levere tilstrækkelig redoxkraft til spaltning af vand eller reduktion af CO2.

Swipe for at rulle →

Investering i Bæredygtig Innovation

DuPont

DuPont er et enormt kemikalie‑firma med mange vigtige mærkevarer kemikalier, såsom Kevlar, Styrofoam, Nomex (brandbeskyttelse), Great Stuff (bygningsklæbemiddel) osv. Deres avancerede polymerforskning og beskyttelsesmateriale‑mærker kan placere dem i en position til at drage fordel af dobbelt‑netværks metamaterialeteknologier.

DuPont er en gammel virksomhed med en kompleks historie af opkøb, og for nylig en række spinoffs.

Kilde: DuPont

Disse spinoffs har adskilt af DuPont afdelingerne for ernæring og biovidenskab, delvist solgt til Corteva Biosciences (CTVA -0.95%), titanium‑produkter til at danne Chemours Company (CC )  (CC -1.05%), og mobilitet.

Det vil også adskille sig fra sin elektronik‑kemikalie‑forretning i november 2025, men beholde vandsegmentet (membraner og filtre til vandrensning og afsaltningsprocesser), i modsætning til tidligere planer.

Kilde: DuPont

Dette vil efterlade DuPont som en meget mere fokuseret virksomhed, med en kerneaktivitet inden for avancerede polymerer til vandrensning og beskyttelsesudstyr samt avancerede materialer til luftfart, sundhedspleje og el‑biler.

Kilde: DuPont

DuPont er en virkelig international virksomhed med stor efterspørgsel efter specialkemikalier inden for vandrensning og industriel produktion.

De sektorer, som DuPont‑kemikalier betjener, er også meget varierede, herunder byggeri, vandrensning, elektronikindustrien, bilindustri, luftfart, sundhedspleje, grøn energi og industriel produktion.

Kilde: DuPont

Med hensyn til kunstig fotosyntese arbejder kemikalievirksomheden på teknologien gennem partnerskaber med akademia, især med Penn University.

“Målet med dette samarbejdsforskningsprojekt er at udvikle en bredt anvendelig beregningsprotokol … for at fremskynde udvælgelsen af fotoaktive materialer, der effektivt kan splitte vand i brint og ilt.”

Den stærke tilstedeværelse af DuPont inden for beskyttelsesudstyr og den etablerede position med Kevlar‑mærket, et højtydende polymer, bør hjælpe dem med at tilpasse nye former for metamaterialer til kommercielle produkter. Og deres tilstedeværelse inden for grøn energi bør hjælpe med at kommercialisere kemikalier til den eventuale kunstige fotosyntese‑kommercielle proces.

I hvert fald, efterhånden som nye teknologier vokser, og vandforbruget stiger, gør efterspørgslen efter de avancerede kemikalier, som DuPont producerer, også.

Seneste  Dupont (DD) Aktier Nyheder og Udviklinger

Studie Refereret

^{1. Brändlin, M., Pfund, B. & Wenger, O.S. Photoinduced double charge accumulation in a molecular compound. Nature. Chemistry. (2025). https://doi.org/10.1038/s41557-025-01912-x}