Yapay Fotosentez Hidrojen Ekonomisini Açığa Çıkarabilir mi?

Doğal Fotosentezin Yerine Geçmek

Doğrudan ya da dolaylı olarak, kullandığımız enerjinin büyük bir kısmı fotosentez yoluyla üretilmiştir. Bu, elbette bedenlerimizi besleyen kaloriler için geçerlidir, ancak nihayetinde fosil yakıtlar da, milyonlarca yıl önce ölen bitkilerin “depolanmış” fotosentezidir.

Dolayısıyla, doğal fotosentezi iyileştirmeye ya da alglerden biyoyakıt üretmek gibi yeni kullanım alanları için faydalanmaya yönelik birçok çaba harcanmıştır. İnşa etmek, ölçekli olarak, atmosferdeki artan CO2 konsantrasyonunu sınırlamak açısından kritik olabilir.

Peki ya fotosentez sürecini yaşayan organizmalarla uğraşmadan taklit edebilseydik? Sonuçta bu, mutlaka canlı hücrelere ihtiyaç duymayan bir elektrokimyasal süreçtir. İşte bu, sözde “yapay fotosentez” vaadidir.

Bu, güneş enerjisini yakalama yeteneğimizi, sadece güneş ışığından elektrik üretebilen ancak kimyasal reaksiyonları doğrudan etkileyemeyen fotovoltaiklerin bir adım ötesine taşıyacaktır.

Japonya İleri Bilim ve Teknoloji Enstitüsü (JAIST) ve Tokyo Üniversitesi’nden üç araştırmacı, bu teknolojiyi gerçeğe bir adım daha yaklaştırmış olabilir. Chemical Communications dergisinde “Bioinspired hydrogels: polymeric designs towards artificial photosynthesis¹” başlıklı bir makalede.

Fotosentez Nasıl Çalışır?

Bitkilerde fotosentez, kabaca CO2 ve suyu alıp, ışığı enerji kaynağı olarak kullanarak karbonhidrat ve oksijen üreten bir süreçtir.

Kaynak: Britannica

Bununla birlikte, bu sürecin çok basit bir kimyasal denkleme indirgenebileceği ve yapay olarak kolayca kopyalanabileceği görülmektedir.

Kaynak: Britannica

Uygulama şekline bakıldığında ise durum farklıdır. Bitki fotosentezi, onlarca ara reaksiyon, çok sayıda alt bileşen ve bazen karmaşık elektron hareketlerini içeren, tam olarak anlaşılmamış moleküler mekanizmalarla birlikte, en karmaşık biyokimyasal sistemlerden biridir.

Britannica ansiklopedisindeki bu konunun sentez açıklaması 10.000 kelimeyi bulmuyor. Bunu inceleyen bilim insanları, fotosentezin bir özetine ulaşmak için daha karmaşık şemalarla uğraşmak zorunda kalıyorlar:

Kaynak: Lumen Learning

Doğada çoğunlukla karbonhidrat üretmek için kullanılan fotosentez, teorik olarak ışığı enerji kaynağı olarak kullanarak suyun hidrojenine (fotokataliz) dönüşümü gibi birçok başka uygulama için de kullanılabilir.

Biyoilhamlı Hidrojeller İçin Hidrojen Üretimi

Doğal fotosentezin bir adımı suyu oksijen ve 2H+ atomlarına ayırmaktır; bu adımı yalnızca taklit etmek, tüm süreci taklit etmeye çalışmaktan daha kolay görünüyor. Japon araştırmacıların çalıştığı da tam olarak bu; hidrojeller kullanarak.

Kaynak: Chemical Communications

Rutenyum kompleksleri ve platin nanopartiküller gibi fonksiyonel moleküller kullandılar; bu moleküller doğal fotosentez sürecini taklit etmek için birlikte çalışıyor ve güçlü fotokatalizörler olarak biliniyor. Yenilik, bu parçacıkların nasıl düzenlendiğinde yatıyor:

“Buradaki benzersiz şey, moleküllerin hidrojel içinde nasıl düzenlendiğidir. Yapılandırılmış bir ortam oluşturarak, enerji dönüşüm sürecini çok daha verimli hâle getirdik.”

Reina Hagiwara – JAIST’ta doktora öğrencisi

Kaynak: Chemical Communications

Geliştirilmiş Verimlilik

Hidrojel kullanımının önceki yöntemlere göre bir diğer önemli iyileştirmesi, metal parçacıkların birbirine yapışmasını önlemesidir; bu durum sürecin etkinliğini azaltma eğilimindedir.

“En büyük zorluk, bu moleküllerin elektronları sorunsuz bir şekilde aktarabilmesi için nasıl düzenleneceğini bulmaktı. Bir polimer ağı kullanarak, bunların birbirine yapışmasını önleyebildik; bu, sentetik fotosentez sistemlerinde yaygın bir sorundur.”

Kosuke Okeyoshi – JAIST’ta doçent

Sonuç, daha eski tekniklere göre çok daha verimli bir fotokataliz olup, daha fazla hidrojen üretimiydi.

Kaynak: Chemical Communications

Işığı Yakalayan Jel

Gelişmiş verimliliğin bir diğer faktörü, jelin ışığı temelde hapsederek, istenen kimyasal reaksiyonu tetikleme olasılığını artırmasıdır.

Mikrojelin titiz bir şekilde hazırlanması, görünür ışığın dalga boyundan daha küçük çaplar oluşturacak şekilde optimize edildi. Bu aynı zamanda platin ve rutenyum mikroskobik parçacıkların jel içinde düzenli bir ağ halinde bütünleştirilmesini sağladı.

Kaynak: Chemical Communications

Hidrojen Devriminin Anahtarı?

Hidrojen ya da hidrojenden üretilen amonyak, uzun süredir dünyayı yeşil enerjiyle besleyecek potansiyel ideal bir yakıt olarak görülmektedir.

Elektrik yerine kimyasal bir formda bulunması sayesinde, hidrojen yeşil enerjiyi çok daha uzun bir süre depolayabilir ve nakliye ya da ağır sanayi gibi kritik uygulamalarda bataryalardan daha iyi bir fosil yakıt ikamesi olabilir.

Sorun, hidrojenin elektroliz yoluyla üretilmesinin çok enerji tüketen ve aynı zamanda oldukça verimsiz bir süreç olmasıdır. Bu durum, hidrojen üretiminde kullanılan yeşil enerjinin büyük bir kısmının boşa harcanmasına ve fikrin ekonomik açıdan zarar görmesine yol açar.

Yeşil hidrojenin bu verimlilik sorunu temelde mevcut konseptin çok fazla adıma ihtiyaç duymasıdır: ışık → DC akım → elektroliz → hidrojen üretimi. Her ek adım verimliliği düşürür ve ilgili makine parkı için ek sermaye ve kaynak maliyeti getirir.

DC akımın AC’ye dönüştürülmesi ve güneş çiftliklerinden hidrojen sentez tesisine şebeke üzerinden taşınması gerektiğinde durum daha da kötüleşir.

Doğrudan fotokataliz, ara adım olmadan “ışık → hidrojen üretimi” şeklinde bir dönüşüm sağlar.

Sonraki Adımlar

Daha İyi Polimerler

Bu yayın, dikkatle düzenlenmiş bir fotokatalitik parçacık ağına sahip olmanın hidrojen üretiminde oyunu değiştirebileceğini gösteriyor. Burada kullanılan hidrojel sadece bir basamak olabilir.

Araştırmacılar, daha gelişmiş polimer ağlarının tasarlanmasını bekliyor. Bu, katalitik bileşenlerin yalnızca küçük parçacıklar olarak değil, uzun ve ince moleküler zincirler şeklinde sabitlenmesini, temas yüzeyini ve ışık yakalama kapasitesini artırmasını içerebilir. Tubulin/mikrotübüller gibi doğal süpermolüküllerin gelecekte kullanılması da mümkündür.

Hidrojenin Ötesinde

Çalışma hidrojen üretimine odaklanmış olsa da, bu, güneş ışığıyla katalize edilebilecek tek kimyasal reaksiyon değildir.

Örneğin, Osaka’daki Japon araştırmacılar, başka bir yapay fotosentez yöntemiyle bikarbonat ve biyokütleden elde edilen pirüvik asitten fumarik asit üretmenin bir yolunu bulmuşlardır.

Platinin Ötesinde

Birçok hidrojen üretim yöntemi, su moleküllerini bölmek için platin ya da rutenyumla aynı aileye ait diğer nadir metalleri kullanır. Ve bu, hibrid araçların artan popülaritesinin yanı sıra platin yatırımı için bir argüman olabilir.

Aynı zamanda, platin maliyetinin yüksek olması, araştırmacıları daha maliyet-etkin alternatifler bulmaya teşvik etmiştir.

Bazı örnekleri Nickel Tabanlı Elektroliz ile Hidrojen Üretimindeki Gelişmeler ve Gömülü Swarf ile Su Bölerek Hidrojen Üretimi başlıklarında okuyabilirsiniz.

Belki platin alternatiflerindeki bu gelişmeler, yukarıda tartışılan hidrojel ve fotokatalizle birleştirilerek sadece ucuz metal, polimer ve güneş ışığı kullanarak çok düşük maliyetli bir hidrojen üretim yöntemi oluşturulabilir.

Yapay Fotosentez ve Hidrojene Yatırım

Yapay fotosentez şu anda hâlâ gelişmekte olan bir deneysel alandır. Ancak hidrojen ekonomisinin potansiyeli, birçok şirketin bu olasılığa yatırım yapmaya hazır olmasını sağlayacak kadar büyüktür.

Birçok hidrojen üretim yöntemi platin üzerine kurulu olduğundan, bu bir seçenek olabilir: Fiziksel metal formunda doğrudan platin satın alarak yatırım yapmak mümkündür; çoğu değerli metal satıcısı platin madeni para ve külçe sunmaktadır. Platin takı da bir olasılıktır.

Ticaret edilen fiziksel platin stokuna ayrıca abrdn Physical Platinum Shares ETF (PPLT) ve GraniteShares Platinum Trust (PLTM) aracılığıyla da erişilebilir.

Birçok aracı kurum üzerinden hidrojenle ilgili şirketlere yatırım yapabilirsiniz ve burada, securities.io sitesinde, ABD, Kanada, Avustralya ve Birleşik Krallık dahil olmak üzere birçok ülkedeki en iyi aracı kurum önerilerimizi bulabilirsiniz.

Belirli hidrojen şirketlerini seçmek istemiyorsanız, platin yönü için VanEck Rare Earth and Strategic Metals ETF (REMX) gibi ETF’lere, ya da hidrojen odaklı ETF’lere, örneğin Global X Hydrogen ETF (HGEN) veya VanEck Hydrogen Economy UCITS (HDRO) bakabilirsiniz; bu ETF’ler hidrojenin enerji kaynağı olarak potansiyelinden yararlanmak için daha çeşitlendirilmiş bir maruziyet sağlar.

Hidrojen Şirketi

BLDP Fiyat Grafiği

Ballard, bir yakıt hücresi üreticisi ve 1993’teki ilk yakıt hücresi otobüsüyle bu teknolojinin öncüsü olan bir şirkettir.

Şirket, ağır hizmet pazarlarına odaklanmaktadır: otobüsler, kamyonlar, trenler/tramvaylar, gemiler, madencilik/insaat ve enerji. Otobüsler işin temelini oluştururken, şirket 2025 yılına kadar kamyonların önemli bir iş segmenti olmasını bekliyor. Ayrıca Avrupa’nın ana pazarını (%50‑60) koruyacağını, ardından Kuzey Amerika’nın (%25) geleceğini öngörüyor.

Kamyon yakıt hücrelerinin büyümeye devam etmesi ve 2030’da 7,5 milyar dolar (195 milyar dolar toplam adreslenebilir pazarın) pazarını temsil etmesi bekleniyor; bu, diğer tüm hidrojen/yakıt hücresi uygulamalarının toplamından neredeyse eşit.

Kaynak: Ballard

Daha yüksek güç gereksinimi ve hızlı şarj ihtiyacı nedeniyle, ağır hizmet araçları, arabalar gibi hafif araçlara göre hidrojen ve yakıt hücreleri için daha uygun bir seçim olmuştur.

Ayrıca demiryolu için katener kablosu ihtiyacını ve uzun mesafe taşımacılığı için hızlı şarj ihtiyacını azaltır.

Kaynak: Ballard

Şirket aynı zamanda amonyak konusunda da yabancı değil; örneğin son bir sözleşme ile Amogy’ye, “benzersiz amonyak kırma teknolojisine dayanan amonyak‑güç platformu” için yakıt hücresi sağlamak üzere imzalanmıştır.

Elektrikli araçların (EV) otomobil pazarını hızlı bir şekilde ele geçirme şansı makul olsa da, daha ağır araçların karbonsuzlaştırılması daha zordur.

Sektördeki köklü liderliğiyle, Ballard, hidrojen ekonomisine yönelik politika itişinin başlıca faydalanıcısı olacaktır.

Yakıt hücrelerine odaklanmak, şirketin hidrojen üretim teknolojisindeki maliyet düşüşlerinden, yönteme, platin kullanımına ya da fotokatalize bağlı olup olmamasına bakılmaksızın faydalanmasını sağlar.

Çalışma Referansı:

^{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}