Η φωτοσύνθεση είναι μια βιοχημική διαδικασία μέσω της οποίας οι φυτικοί οργανισμοί (όπως και κάποια βακτήρια) μετατρέπουν το φως, το νερό και το διοξείδιο του άνθρακα της ατμόσφαιρας σε οργανικές ενώσεις πλούσιες σε ενέργεια, καθώς και στο οξυγόνο που αναπνέουμε. Είναι μία από τις πιο αρχέγονες διαδικασίες που επινόησε η φύση στη Γη και σε αυτήν τελικά οφείλεται ολόκληρη η ζωή στον πλανήτη. Όσο παλιά κι αν είναι ως διαδικασία, παραμένει σε κάποιον βαθμό ένα μυστήριο.
Το 1912 ένας Ιταλός χημικός, ο Giacomo Ciamician, ήταν ο πρώτος που έκανε λόγο για την τεχνητή φωτοσύνθεση, που βέβαια εκείνη την εποχή δεν ήταν παρά ένα μακρινό όνειρο. Ο Ciamician, ήδη από τότε, μιλούσε για την ανάγκη μετάβασης από τα ορυκτά καύσιμα στην ηλιακή ενέργεια. Αξίζει να σημειωθεί ότι σε αυτήν τη μετάβαση έβλεπε επίσης μια δυνατότητα «κλεισίματος της ψαλίδας» μεταξύ του πλούσιου ευρωπαϊκού Βορρά και του φτωχού Νότου που έχει άφθονο φως.
Από τότε κύλησαν πολλές ακτίνες στα αυλάκια των ηλιακών πάνελ, μέχρι που πριν από λίγες μέρες είχαμε μια ανακοίνωση από μια ομάδα επιστημόνων σχετικά με τη σημαντική πρόοδο που συντελέστηκε στη μελέτη της φωτοσύνθεσης.
Οι προκλήσεις που θέτει η ενεργειακή κρίση είναι πολυάριθμες και πολύπλοκες. Πρέπει να βρούμε τρόπους να καλύψουμε τις αυξανόμενες ενεργειακές μας ανάγκες, μειώνοντας ταυτόχρονα το αποτύπωμα άνθρακα και μετριάζοντας τις δυσμενείς επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής. Επιπλέον, πρέπει να διασφαλίσουμε ότι οι πηγές ενέργειας είναι βιώσιμες, οικονομικά προσιτές και προσβάσιμες σε όλους.
Το άρθρο δημοσιεύτηκε στο περιοδικό «Nature» και η LiFO είχε την ευκαιρία να μιλήσει για το περιεχόμενό του με τον επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας, Tomi Baikie, έναν ανεξάρτητο ερευνητή στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ. Ο δρ. Baikie είναι επίσης διευθυντής σπουδών στις φυσικές επιστήμες στο Lucy Cavendish College του Κέιμπριτζ, όπου εργάζεται «για να εμπνεύσει και να καθοδηγήσει την επόμενη γενιά επιστημόνων και ερευνητών», όπως μου αναφέρει με τη χαρακτηριστική βρετανική προφορά του – με τα ανεπαίσθητα ίχνη της σκωτσέζικης καταγωγής του.
«Η εξειδίκευσή μου έγκειται στον τομέα της φυσικής συμπυκνωμένης ύλης, όπου εξερευνώ τις δυνατότητες που υπάρχουν στο πεδίο της ύλης που είναι μεγαλύτερη από ένα άτομο αλλά μικρότερη από έναν πλανήτη», μου λέει. «Με πάθος για την αντιμετώπιση μεγάλων προκλήσεων, εστιάζω την έρευνά μου στα πιο σημαντικά ζητήματα που έχουν τη δυνατότητα να δημιουργήσουν απτό αντίκτυπο στον κόσμο γύρω μας».
— Ποιο ήταν το πείραμά σας και πώς σας ήρθε η αρχική ιδέα;
Η ιδέα γεννήθηκε σε ένα μπαρ στο Κέιμπριτζ με τη δρ Laura Wey, που υπήρξε η σημαντικότερη συνεργάτιδά μου και η οποία σήμερα εργάζεται στο Πανεπιστήμιο του Turku στη Φινλανδία. Αναρωτηθήκαμε, λοιπόν, αν θα μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε τη φασματοσκοπία λέιζερ μέσα σε ένα ζωντανό κύτταρο. Μια διαδικασία που δούλεψε πραγματικά πολύ καλά.
Το πείραμα που κάναμε χρησιμοποιεί υπερταχύτατα λέιζερ. Παίρνουμε δύο παλμούς λέιζερ, έναν που διεγείρει το δείγμα και έναν άλλο που «τραβάει μια φωτογραφία». Αφού διεγείρουμε το δείγμα, μπορούμε να τραβήξουμε φωτογραφίες σε διαφορετικούς χρόνους, οι οποίες μας επιτρέπουν να παρακολουθούμε τις αλλαγές του δείγματος πραγματικά πολύ γρήγορα (ένα εκατομμύριο δισεκατομμύρια φορές πιο γρήγορα από το iPhone σας). Επειδή χρησιμοποιούμε φως, μπορούμε να καθυστερήσουμε τον παλμό του λέιζερ με μεγάλη ακρίβεια. Μετακινώντας έναν φακό κατά 1 cm καθυστερούμε τον παλμό κατά περίπου 30 πικοδευτερόλεπτα [10-12 δευτερόλεπτα] – τα ηλεκτρονικά είναι πολύ αργά σε αυτή την ταχύτητα.
— Ποια είναι η κύρια διαφορά από τα προηγούμενα πειράματα για τη φωτοσύνθεση;
Η διαφορά είναι ότι πειραματιστήκαμε σε ολόκληρα κύτταρα, όπου διατηρείται ο σωστός προσανατολισμός του φωτοσυνθετικού μηχανισμού.
— Τι μας διαφεύγει ακόμη από τη φωτοσύνθεση και ποια είναι τα μεγαλύτερα εμπόδια στην κατανόησή της;
Η φωτοσύνθεση είναι μία από τις πιο θεμελιώδεις και ουσιαστικές βιολογικές διαδικασίες στη Γη, ωστόσο υπάρχουν ακόμη πολλά που δεν γνωρίζουμε γι' αυτήν. Παρά τις δεκαετίες έρευνας, υπάρχουν πολλές πτυχές της φωτοσύνθεσης που παραμένουν μυστήριο και οι επιστήμονες συνεχίζουν να διερευνούν και να εξετάζουν αυτή την πολύπλοκη διαδικασία.
Ένας τομέας διαρκούς έρευνας είναι οι μοριακοί μηχανισμοί της φωτοσύνθεσης. Η φωτοσύνθεση περιλαμβάνει μια πολύπλοκη αλληλεπίδραση βιοχημικών και βιοφυσικών διεργασιών που λαμβάνουν χώρα εντός των θυλακοειδών μεμβρανών των χλωροπλαστών. Οι επιστήμονες εξακολουθούν να εργάζονται για να κατανοήσουν τις μοριακές λεπτομέρειες αυτών των διεργασιών και τον τρόπο με τον οποίο συμβάλλουν στη συνολική αποτελεσματικότητα της φωτοσύνθεσης.
Επιπλέον, υπάρχουν ακόμη πολλά να μάθουμε για τις «ρυθμίσεις» της φωτοσύνθεσης. Ενώ κατανοούμε τους βασικούς μηχανισμούς με τους οποίους ελέγχεται και ρυθμίζεται η φωτοσύνθεση, υπάρχουν ακόμη πολλά αναπάντητα ερωτήματα σχετικά με το πώς περιβαλλοντικοί παράγοντες, όπως το φως, η θερμοκρασία και η συγκέντρωση CO2, επηρεάζουν τους ρυθμούς της φωτοσύνθεσης.
— Με ποιον τρόπο αυτό το πείραμα μάς βοηθά να αξιοποιήσουμε τη φωτοσύνθεση για να δημιουργήσουμε ανανεώσιμη ενέργεια;
Έχουμε πλέον ένα νέο εργαλείο για την κατανόηση των κυττάρων. Χρησιμοποιώντας αυτήν τη νέα διάταξη σε ζωντανά κύτταρα, καταφέραμε τελικά να υπολογίσουμε ότι μπορούσαμε να εξάγουμε φορτίο χρησιμοποιώντας DCBQ [διχλωροβενζοκινόνη] στο καλύτερο δυνατό σημείο της φωτοσύνθεσης.
Αυτό θα μπορούσε να είναι χρήσιμο για την κατασκευή ηλιακών συλλεκτών με βάση τα φυτά, την κατάλυση, τη δέσμευση άνθρακα – όλα πιεστικές προκλήσεις. Ωστόσο, το πιο σημαντικό, από τη δική μου οπτική γωνία, είναι ότι η (κβαντική) ηλεκτρονική του φυτικού κόσμου είναι αρκετά θεαματική και θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να εμπνεύσει νέες, πιο αποδοτικές συσκευές (όπως οθόνες και ηλιακούς συλλέκτες).
— Ποια είναι τα πλεονεκτήματα της μίμησης της φυσικής διαδικασίας των φυτών όσον αφορά τους ηλιακούς συλλέκτες;
Βασιζόμαστε στα φυτά για ό,τι τρώμε και για όλο τον αέρα που αναπνέουμε. Ίσως τώρα να μπορέσουμε να χρησιμοποιήσουμε και τα ηλεκτρόνιά τους!
Αλλά αυτό που με εμπνέει είναι η δυνατότητα να παρατηρήσω τη φωτοσύνθεση σε ζωντανά φυτά χρησιμοποιώντας την τεχνική μας. Αυτό που κάνει τη φωτοσύνθεση πραγματικά ξεχωριστή είναι η σχεδόν 100% αποτελεσματικότητα της μετατροπής του φωτός σε ηλεκτρόνια. Κατανοώντας τους μηχανισμούς της φωτοσύνθεσης, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτήν τη γνώση για να μας εμπνεύσει να βελτιώσουμε την υπάρχουσα τεχνολογία ηλιακών συλλεκτών.
Συνδυάζοντας με αυτόν τον τρόπο την πειραματική φυσική και τη βιολογία, με έμφαση στη διερεύνηση της κβαντικής φύσης του φορτίου στα φυτά, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τη νέα γνώση για να βελτιώσουμε και να εμπνεύσουμε έναν διαφορετικό τρόπο σχεδιασμού των υφιστάμενων ηλεκτρονικών συστημάτων.
— Πόσο απέχουμε από το να χρησιμοποιούμε ενέργεια που παράγεται μέσω φωτοσύνθεσης;
Το κάνουμε ήδη! Ο συνεργάτης μας Chris Howe έχει χρησιμοποιήσει αυτή την τεχνολογία για να τροφοδοτήσει έναν υπολογιστή για πάνω από 6 μήνες.
Μακροπρόθεσμα, αν μπορούμε να παράγουμε ανανεώσιμη ενέργεια και καύσιμα από αυτοπαραγόμενα, αυτοανακυκλούμενα, ζωντανά υλικά (δηλαδή να καλλιεργούμε την ενέργειά μας όπως καλλιεργούμε τα τρόφιμα, αλλά χωρίς τα μειονεκτήματα των σημερινών προσεγγίσεων βιοενέργειας), θα είναι μια από τις πιο πράσινες επιλογές που μπορεί να φανταστεί κανείς για την αειφορία.
Είναι ακόμη νωρίς, οι συσκευές που χρησιμοποιούν φωτοσυνθετικούς οργανισμούς για την παραγωγή ενέργειας είναι ακόμη στα σπάργανα. Ωστόσο, πρόκειται για μια σημαντική ανακάλυψη που θα μπορούσε πραγματικά να ανοίξει νέες δυνατότητες για αυτό το είδος τεχνολογίας.
— Υπάρχει κάποιος κίνδυνος που θα μπορούσατε να φανταστείτε;
Όχι, η χρήση φυτών με νέους τρόπους είναι πολύ ασφαλής.
Η ενεργειακή κρίση είναι ένα από τα πιο πιεστικά ζητήματα της εποχής μας και απαιτεί άμεση προσοχή και δράση. Δεν έχουμε την πολυτέλεια να περιμένουμε να εμφανιστούν μελλοντικές λύσεις, καθώς οι συνέπειες της αδράνειάς μας γίνονται όλο και πιο σοβαρές και θα συνεχίσουν να κλιμακώνονται αν δεν δράσουμε γρήγορα.
— Πριν από μερικούς μήνες μιλούσαμε για το λαμπρό μέλλον που θα μπορούσε να μας δώσει η πυρηνική σύντηξη. Μήπως η επιστήμη δημιουργεί μερικές φορές φρούδες ελπίδες; Ότι, δηλαδή, δεν χρειάζεται να αλλάξουμε τον τρόπο ζωής μας, τη σχέση μας με τη φύση, τη στάση μας απέναντι στο οικολογικό πρόβλημα αλλά αρκεί μόνο να αλλάξουμε τις ενεργειακές μας πηγές για να συνεχίσουμε να προχωράμε με τον ίδιο τρόπο που πορευόμασταν;
Η ενεργειακή κρίση είναι ένα από τα πιο πιεστικά ζητήματα της εποχής μας και απαιτεί άμεση προσοχή και δράση. Δεν έχουμε την πολυτέλεια να περιμένουμε να εμφανιστούν μελλοντικές λύσεις, καθώς οι συνέπειες της αδράνειάς μας γίνονται όλο και πιο σοβαρές και θα συνεχίσουν να κλιμακώνονται αν δεν δράσουμε γρήγορα.
Οι προκλήσεις που θέτει η ενεργειακή κρίση είναι πολυάριθμες και πολύπλοκες. Πρέπει να βρούμε τρόπους για να καλύψουμε τις αυξανόμενες ενεργειακές μας ανάγκες, μειώνοντας ταυτόχρονα το αποτύπωμα άνθρακα και μετριάζοντας τις δυσμενείς επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής. Επιπλέον, πρέπει να διασφαλίσουμε ότι οι πηγές ενέργειας είναι βιώσιμες, οικονομικά προσιτές και προσβάσιμες σε όλους.
Είναι επιτακτική ανάγκη να επενδύσουμε και να εφαρμόσουμε λύσεις που είναι διαθέσιμες σε εμάς σήμερα, ακόμη και όταν συνεχίζουμε να επιδιώκουμε μακροπρόθεσμες λύσεις. Αυτό περιλαμβάνει την ανάπτυξη τεχνολογιών ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, όπως η αιολική, η ηλιακή και η υδροηλεκτρική ενέργεια, την υιοθέτηση ενεργειακά αποδοτικών πρακτικών, καθώς και την ανάπτυξη αποτελεσματικότερων συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας.
Αναλαμβάνοντας άμεση δράση για την αντιμετώπιση της ενεργειακής κρίσης, μπορούμε όχι μόνο να διαφυλάξουμε τον πλανήτη μας και τους κατοίκους του για τις μελλοντικές γενιές, αλλά και να ξεκλειδώσουμε τις δυνατότητες για οικονομική ανάπτυξη και ευημερία. Η αναμονή για μελλοντικές λύσεις δεν αποτελεί επιλογή και πρέπει να δράσουμε τώρα για να δημιουργήσουμε ένα πιο βιώσιμο και ανθεκτικό ενεργειακό μέλλον.
— Τι άλλες προοπτικές διανοίγονται από την έρευνά σας;
Η φωτοσύνθεση είναι μια από τις πιο αξιοσημείωτες βιολογικές διεργασίες στη φύση και η ικανότητά της να μετατρέπει το φως σε ενέργεια με αξιοσημείωτη αποτελεσματικότητα έχει γοητεύσει την επιστημονική κοινότητα εδώ και δεκαετίες. Οι πρόσφατες έρευνες αποκάλυψαν ότι η κβαντομηχανική της φωτοσύνθεσης παίζει καθοριστικό ρόλο στην αποτελεσματικότητά της, γεγονός που δυνητικά μπορεί να μας δώσει πληροφορίες για τον σχεδιασμό καλύτερων και αποδοτικότερων ηλεκτρονικών συσκευών.
Η κβαντική ηλεκτρονική είναι ένας ταχέως αναπτυσσόμενος ερευνητικός τομέας που εξερευνά τις αρχές της κβαντομηχανικής στα ηλεκτρονικά συστήματα. Η φωτοσύνθεση προσφέρει ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα για το πώς μπορεί να αξιοποιηθεί η κβαντομηχανική για την επίτευξη εξαιρετικής απόδοσης στη μεταφορά ενέργειας. Στη φωτοσύνθεση, η κβαντική συνοχή επιτρέπει τη μεταφορά ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις με ελάχιστες απώλειες, κάτι που δεν έχει ακόμη αναπαραχθεί σε ηλεκτρονικές συσκευές.
Μελετώντας την κβαντομηχανική της φωτοσύνθεσης, μπορούμε να αποκτήσουμε γνώσεις για το πώς λειτουργούν αυτές οι διαδικασίες και πώς μπορούν να εφαρμοστούν στα ηλεκτρονικά συστήματα. Για παράδειγμα, η μίμηση της κβαντικής συνοχής της φωτοσύνθεσης θα μπορούσε να οδηγήσει στην ανάπτυξη αποδοτικότερων ηλιακών συλλεκτών, όπως προανέφερα, οι οποίοι θα μπορούσαν να συμβάλουν στη μείωση της εξάρτησής μας από τα ορυκτά καύσιμα.
Επιπλέον, η μελέτη της κβαντικής συνοχής στη φωτοσύνθεση θα μπορούσε να δώσει πληροφορίες για τον σχεδιασμό πιο αποτελεσματικών και ασφαλών συστημάτων επικοινωνίας. Η κβαντική επικοινωνία υπόσχεται να αποτελέσει ένα εξαιρετικά ασφαλές μέσο μετάδοσης πληροφοριών, καθώς η κβαντική συνοχή εξασφαλίζει ότι κάθε προσπάθεια υποκλοπής ή παρατήρησης της επικοινωνίας θα ανιχνεύεται αμέσως.
Συνοψίζοντας, η κβαντική ηλεκτρονική της φωτοσύνθεσης προσφέρει πληθώρα ευκαιριών για την πρόοδο του τομέα της ηλεκτρονικής. Αντλώντας έμπνευση από τον φυσικό κόσμο, μπορούμε να αναπτύξουμε νέες τεχνολογίες που δεν είναι μόνο πιο αποτελεσματικές αλλά και πιο βιώσιμες και ασφαλείς.
