A Fotossíntese Artificial Poderia Desbloquear a Economia do Hidrogênio?

Substituindo a Fotossíntese Natural

Direta ou indiretamente, uma enorme quantidade da energia que usamos foi produzida por meio da fotossíntese. Isso é, obviamente, verdade das calorias que alimentam nossos corpos, mas, em última análise, também dos combustíveis fósseis, que são apenas fotossíntese “armazenada” de plantas que morreram há eras.

Então, muitos esforços foram dedicados a melhorar a fotossíntese natural ou aproveitá‑la para novos usos, como a criação de biocombustíveis a partir de algas. Construir isso em escala poderia ser crucial para limitar o aumento da concentração de CO2 na atmosfera.

Mas e se pudéssemos imitar o processo de fotossíntese sem precisar lidar com organismos vivos? Afinal, trata‑se de um processo eletroquímico que não requer necessariamente células vivas para acontecer. Essa é a promessa da chamada “fotossíntese artificial”.

Isso elevaria nossa capacidade de capturar a energia do sol um passo acima da fotovoltaica, que pode “apenas” gerar eletricidade a partir da luz solar, mas não afetar diretamente reações químicas.

Três pesquisadores do Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) e da Universidade de Tóquio podem ter aproximado essa tecnologia de sua realidade. Em um artigo publicado na Chemical Communications com o título “Bioinspired hydrogels: polymeric designs towards artificial photosynthesis¹“.

Como a Fotossíntese Funciona?

Nas plantas, a fotossíntese é, grosso modo, o processo de absorver CO2 e água, usar a luz como fonte de energia e produzir carboidratos e oxigênio.

Fonte: Britannica

Dito isso, parece que isso pode ser reduzido a uma equação química muito simples e pode ser facilmente replicado artificialmente.

Fonte: Britannica

É outra história quando se observa como isso é feito. A fotossíntese vegetal é, na verdade, uma das máquinas bioquímicas mais complexas, com dezenas de reações intermediárias, uma infinidade de subcomponentes e, às vezes, mecanismos moleculares ainda pouco compreendidos que envolvem elaborados movimentos de elétrons.

A explicação sintética deste tópico na enciclopédia Britannica tem não menos que 10.000 palavras. Cientistas que a estudam precisam lidar com esquemas ainda mais complexos para começar a ter uma visão geral da fotossíntese:

Fonte: Lumen Learning

Embora seja usada principalmente na natureza para criar carboidratos, a fotossíntese poderia, em teoria, ser utilizada para muitas outras aplicações usando a luz como fonte de energia, como, por exemplo, a síntese de hidrogênio a partir da água (fotocatálise).

Hidrogéis Bioinspirados para Produção de Hidrogênio

Como uma das etapas da fotossíntese natural é a divisão da água em oxigênio e 2 átomos de H+, parece que replicar apenas essa etapa seria mais fácil do que tentar imitar todo o processo. Foi isso que os pesquisadores japoneses trabalharam, usando hidrogéis.

Fonte: Chemical Communications

Eles usaram moléculas funcionais, como complexos de rutênio e nanopartículas de platina, que trabalham juntas para simular o processo natural da fotossíntese e são conhecidas como fotocatalisadores poderosos. A inovação está em como organizaram essas partículas:

“O que é único aqui é como as moléculas são organizadas dentro do hidrogel. Ao criar um ambiente estruturado, tornamos o processo de conversão de energia muito mais eficiente.”

Reina Hagiwara – PhD. student at JAIST

Fonte: Chemical Communications

Eficiência Aprimorada

Outra melhoria chave ao usar hidrogel em comparação com métodos anteriores é que ele impede que as partículas metálicas se aglomerem, o que tende a reduzir a eficácia do processo.

“O maior desafio foi descobrir como organizar essas moléculas para que pudessem transferir elétrons suavemente. Ao usar uma rede polimérica, conseguimos impedir que se aglomerassem, o que é um problema comum em sistemas de fotossíntese sintética.”

Kosuke Okeyoshi – Associate professor at JAIST

O resultado final foi uma fotocatálise muito mais eficiente, produzindo mais hidrogênio do que técnicas anteriores.

Fonte: Chemical Communications

Gel Capturador de Luz

Outro fator na eficiência aprimorada é que o gel essencialmente prende a luz, aumentando sua chance de impulsionar a reação química desejada.

A cuidadosa fabricação do microgel foi otimizada para criar diâmetros menores que o comprimento de onda da luz visível. Isso também permitiu integrar as partículas microscópicas de platina e rutênio no gel em uma malha organizada.

Fonte: Chemical Communications

A Chave para a Revolução do Hidrogênio?

O hidrogênio, ou amônia produzida a partir do hidrogênio, tem sido considerado há muito tempo um combustível potencialmente ideal para alimentar o mundo com energia verde.

Por estar em forma química em vez de elétrica, o hidrogênio poderia armazenar energia verde por um período muito mais longo e ser uma substituição melhor aos combustíveis fósseis do que as baterias em aplicações‑chave como transporte marítimo ou indústrias pesadas.

O problema é que a produção de hidrogênio por eletrólise é um processo que consome muita energia e também é bastante ineficiente. Isso faz com que a maior parte da energia verde usada para produzir hidrogênio seja desperdiçada, prejudicando a viabilidade econômica da ideia.

Esse problema de eficiência do hidrogênio verde decorre fundamentalmente do fato de que o conceito atual requer etapas demais: luz -> corrente CC -> eletrólise -> geração de hidrogênio. Cada etapa extra reduz a eficiência e custa capital e recursos adicionais para a maquinaria envolvida.

Isso piora ainda mais se a corrente CC precisar ser convertida em CA e transportada pela rede das fazendas solares até o local de síntese de hidrogênio.

A fotocatálise direta transformaria isso em “luz -> geração de hidrogênio” sem etapas intermediárias.

Os Próximos Passos

Polímeros Melhores

Esta publicação demonstra que uma rede cuidadosamente organizada de partículas fotocatalíticas pode ser um divisor de águas na produção de hidrogênio. O hidrogel usado aqui pode ser apenas um degrau inicial.

Os pesquisadores esperam que redes poliméricas mais avançadas sejam projetadas. Isso poderia incluir fixar os componentes catalíticos não apenas como pequenas partículas, mas como cadeias moleculares longas e finas, aumentando a superfície de contato e a captura de luz. O uso futuro de supramoléculas naturais, como tubulina/microtúbulos, também é possível.

Mais do que Hidrogênio

O estudo focou na geração de hidrogênio, mas isso está longe de ser a única reação química que poderia ser catalisada pela luz solar.

Por exemplo, pesquisadores japoneses em Osaka descobriram uma forma de gerar ácido fumárico a partir de bicarbonato e ácido pirúvico derivado de biomassa, usando outra forma de fotossíntese artificial.

Além do Platina

Muitos dos métodos de geração de hidrogênio dependem da divisão de moléculas de água usando platina ou outros metais raros da mesma família do rutênio. E isso pode ser um dos argumentos para investir em platina, além da crescente popularidade dos veículos híbridos.

Ao mesmo tempo, o alto custo da platina incentivou os pesquisadores a buscar alternativas mais econômicas.

Você pode ler alguns exemplos em Avanços na Produção de Hidrogênio com Eletrólise à Base de Níquel” e “Gerando Hidrogênio pela Divisão da Água com Swarf Incorporado”.

Talvez esses avanços em alternativas à platina possam ser combinados com o hidrogel e a fotocatálise discutidos acima, para criar um método de produção de hidrogênio de muito baixo custo usando apenas metal barato, polímeros e luz solar.

Investindo em Fotossíntese Artificial & Hidrogênio

A fotossíntese artificial ainda é um campo experimental em desenvolvimento. No entanto, o potencial da economia do hidrogênio é grande o suficiente para que muitas empresas estejam prontas para investir nessa possibilidade.

Como muitos métodos de produção de hidrogênio dependem da platina, isso pode ser uma opção: É realmente possível comprar platina diretamente para investimento em forma física, com a maioria dos vendedores de metais preciosos oferecendo moedas e barras de platina. Joias de platina também são uma possibilidade.

O estoque físico de platina negociado também pode ser acessado através do abrdn Physical Platinum Shares ETF (PPLT) e do GraniteShares Platinum Trust (PLTM).

Você pode investir em empresas relacionadas ao hidrogênio através de várias corretoras, e pode encontrar aqui, em securities.io, nossas recomendações das melhores corretoras nos Estados Unidos, Canadá, Austrália, e Reino Unido, bem como em muitos outros países.

Se você não está interessado em escolher empresas específicas relacionadas ao hidrogênio, também pode considerar ETFs como o VanEck Rare Earth and Strategic Metals ETF (REMX) para o aspecto da platina, ou ETFs focados em hidrogênio como o Global X Hydrogen ETF (HGEN) ou o VanEck Hydrogen Economy UCITS (HDRO) que proporcionarão uma exposição mais diversificada para capitalizar o potencial do hidrogênio como fonte de energia.

Empresa de Hidrogênio

(BLDP )

Ballard é um fabricante de células de combustível e pioneiro da tecnologia, com seu primeiro ônibus de célula de combustível em 1993.

A empresa está focada em mercados de grande porte: ônibus, caminhões, trens/trólebus, navios, mineração/construção e energia. Embora os ônibus tenham sido o núcleo do negócio, a empresa espera que, até 2025, os caminhões se tornem um segmento de negócios importante. Também espera que a Europa continue sendo seu principal mercado (50‑60 %), seguida da América do Norte (25 %).

Espera‑se que as células de combustível para caminhões continuem crescendo e representem um mercado de US$ 7,5 bilhões em 2030 (de um TAM de US$ 195 bilhões), quase tão grande quanto todas as outras aplicações de hidrogênio/células de combustível combinadas.

Fonte: Ballard

Devido à maior potência necessária e à necessidade de carregamento rápido, veículos de grande porte têm sido uma boa escolha para hidrogênio e células de combustível em comparação com veículos mais leves, como carros.

Também reduz a necessidade de cabos catenários para ferrovias e de recarga rápida para transporte de longa distância.

Fonte: Ballard

A empresa também não é estranha à amônia, com, por exemplo, um contrato recente com Amogy para fornecer células de combustível para sua “plataforma de amônia‑para‑energia que depende de tecnologia única de craqueamento de amônia”.

Embora os veículos elétricos tenham uma chance razoável de rapidamente dominar o mercado de automóveis, veículos mais pesados são mais difíceis de descarbonizar.

Com sua liderança estabelecida no setor, a Ballard seria uma grande beneficiária de um impulso político rumo a uma economia do hidrogênio.

O foco em células de combustível também permite que a empresa se beneficie de qualquer redução de custos na tecnologia de geração de hidrogênio, independentemente do método, com ou sem platina, e com ou sem fotocatálise.

Referência do Estudo:

^{1. Hagiwara, R., Yoshida, R., & Okeyoshi, K. (2024). Bioinspired hydrogels: polymeric designs towards artificial photosynthesis. Chemical Communications, 60, 13314–13324. https://doi.org/10.1039/D4CC04033C}