Fotossíntese artificial e como podemos retirar mais da luz solar.

14-12-2010 22:08

O estudo, conduzido pelo professor associado de Química do MIT Jianshu Cao e pelos seus pós-doutorados e colegas, sobre sistemas artificiais de fotossíntese, é o último de uma série de análises do processo de fotossíntese e das diversas variáveis que determinam a sua eficiência, tendo sido . O novo trabalho, debruça-se sobre sistemas fotossintéticos artificiais, baseados na auto-montagem de moléculas, desenhadas por investigadores da Universidade da Califórnia, Berkeley.

A esperança, das várias equipas de pesquisa por todo o mundo é tornarem possível a produção de sistemas químicos sintéticos que imitem o processo natural de fotossíntese. Isso permitiria um aproveitamento energético da luz solar, muito mais eficaz que o dos actuais painéis fotovoltaicos, permitindo ainda produzir algum tipo de combustível que poderia ser armazenado e utilizado quando necessário, eliminando os problemas de intermitência da energia solar. O entendimento de como maximizar a eficiência do processo é um passo importante na concretização prática de um tal sistema.

A nova pesquisa, de Cao e do colega Ji-Hyun Kim, descobriu que existem muitas formas de associar feixes de cromóforos - os centros de reacção dentro de moléculas que realmente absorvem partículas de luz do sol ou que transferem essa energia ou, ainda, a convertem em energia química passível de armazenamento para uso posterior.

Entre outras configurações, os cromóforos facilmente adoptam uma forma helicoidal ou a de uma pilha de discos.

Existem três tipos básicos de cromóforos:

- Aceitantes, que absorvem a energia da luz;

- Doadores, que emitem luz;

- Pontes, que transferem a energia de um centro de reacção para outro.

Os investigadores descobriram que em sistemas compostos principalmente de doadores e receptores, a adição de pontes extra pode aumentar nificativamente a eficiência do processo. Além disso, rácios específicos aceitantes/doadores, levam a uma transferência mais eficiente de energia. O trabalho foi suportado pelo MIT Energy Initiative, da Aliança Brasil-MIT de Pesquisa e Tecnologia, National Science Foundation e pelo MIT  Center for Excitonics.

Os investigadores revelaram que a eficiência da fotossíntese natural pode ser melhorada pela adição de certas quantidades de ruído - ou seja, flutuações aleatórias. Normalmente o ruído reduz a eficiência, pelo que esta conclusão foi um pouco contra-intuitiva. Adicionando mais ruído também se pode diminuir a eficiência, sendo descoberto que "Há uma quantidade ideal" de ruído que leva a uma transferência mais eficiente da energia.

Para tentar explicar porque é que uma certa quantidade de ruído pode ser útil, é feita uma analogia com o atrito da estrada e a condução de um carro. Naturalmente, o atrito diminui um pouco a velocidade do carro, diminuindo a eficiência, e com muito atrito o carro pode ficar imobilizado. Mas se não houvesse atrito, como numa superfície gelada perfeitamente lisa, haveria rotação das rodas mas o veículo permaneceria imóvel. Existe uma quantidade ideal de atrito para a locomoção, havendo semelhança com o ruído num sistema fotossintético. No caso da fotossíntese, a energia vai sendo transferida de uma parte da molécula para outra, e as flutuações aleatórias do ambiente - ou ruído – podem, até certo ponto, dar um impulso extra para que os electrões se desloquem transportando energia e ajudando a impulsioná-los adiante; mas muito desse empurrão extra pode ter o efeito oposto, dispersando os excitões, fazendo com que seja menos provável a sua chegada ao centro reaccional, onde a energia é aproveitada.

A equipa estudou sistemas fotossintéticos específicos,  incluindo os de bactérias verdes sulfurosas, que têm um tipo muito comum de agregados multi-cromóforos que realizam a conversão de energia, afirmou Silbey, um dos investigadores.


Enquanto muitos grupos de investigadores têm estudado a forma como a fotossíntese ocorre em diferentes plantas, algas e bactérias, este trabalho analisou os processos subjacentes de mecânica quântica e calculou diferentes variáveis que afectaram a eficiência do sistema, segundo Cao. "Achamos que temos um quadro muito geral, que poderá ser agora aperfeiçoado" de novos sistemas sintéticos de aproveitamento de luz. Isso poderá permitir o ajuste fino dos tempos, temperaturas e configurações moleculares, de forma a obter um máximo de energia a partir de uma determinada quantidade de luz solar. A busca pela optimização no sistema de aproveitamento/recolha da luz está a ser perseguida por vários grupos, incluindo os de professor do MIT da engenharia mecânica Seth Lloyd, Alan Aspuru-Guzik da Universidade de Harvard e Martin Plenio de Ulm, na Alemanha.


Esta análise teórica foi desencadeada por experiências levadas a cabo nos últimos anos, como as realizadas por Greg Engel, professor assistente de química na Universidade de Chicago, que demonstrou a base da mecânica quântica na fotossíntese biológica. "Isso foi o que colocou todos os teóricos a trabalhar e que os levou a procurar os conceitos básicos que podem levar a sistemas o mais eficientes possível”, afirmou Cao. O próximo passo será dado por outros investigadores que deverão aplicar a compreensão destes fenómenos à concepção de novos sistemas sintéticos de fotossíntese.


Engel, que não estava envolvido na pesquisa do MIT, diz que é "um óptimo trabalho". Acrescenta que "há muito tempo sabemos que a fotossíntese foi aperfeiçoada pela evolução, mas a compreensão da forma como foi optimizada, proporciona uma forma de avançar " na tentativa de obter um design semelhante de sistemas optimizados de síntese. Segundo ele, " podemos agora tirar proveito disso e copiar alguns dos princípios do design de base" que a natureza tem utilizado" e abre muitas novas oportunidades para aproveitar os três e meio biliões de anos de P & D que a natureza tem feito. "

Entretanto a  Sanyo anunciou há algum tempo, em Junho de 2010, a produção de um módulo fotovoltaico capaz de converter 20,7% da luz solar incidente sobre o painel – um índice sem precedentes no mercado. Com isso, o sistema torna-se o mais eficiente da categoria e promete arrasar os concorrentes.

Baptizado como HIT-N230, o módulo destaca-se precisamente por estar bem acima da média de eficiência dos demais painéis comerciais – que varia entre os 5% e os 18% de conversão. Foi lançado oficialmente no Japão, no segundo semestre de 2010.

Para conseguir o feito, a gigante japonesa aumentou de dois para três o número de separadores do painel e deixou-os mais leves. A empresa ainda utilizou uma nova tecnologia de vidro revestido que cria "armadilhas de luz", ou seja, reduz os índices de reflexão e dispersão da luz. 

Além de anunciar seu novo produto, a Sanyo informou que irá aumentar a capacidade de produção de suas fábricas em Kaizuka e Ohtsu, no Japão. O objectivo é suprir a demanda de painéis fotovoltaicos do país, em crescente expansão.

Juntas, as fábricas vão passar a produzir 290 MW, um aumento de 215% em comparação à produção actual de 135 MW. A expansão deverá ocorrer até março de 2011 e irá abastecer os mercados do Japão, Europa e Estados Unidos.

Portugal não fica de fora da corrida pela energia do Sol. Produz já energia eléctrica a partir da energia solar, suficiente para 30 mil habitações com base na maior central fotovoltaica do mundo, que fica em na Amareleja, no concelho de Moura (Alentejo) e que tem uma capacidade instalada de 46 megawatts, tendo custado 240 milhões de euros.

A central fotovoltaica, com uma capacidade instalada de 46 megawatts (MW), produz 93 milhões de kilowatts/hora (kWh) por ano, valor que equivale ao consumo de mais de 30 mil famílias, evitando a emissão de 89.383 toneladas anuais de dióxido de carbono (CO2).
A central, que levou 13 meses a construir, ocupa uma área de 250 hectares e é composta por 2.520 seguidores solares, com 262.080 módulos fotovoltaicos.
Os primeiros três MW foram instalados em finais de 2007, com ligação provisória em Março de 2008. Durante o ano de 2008 foi feita a instalação do restante campo solar e, paralelamente, a construção da linha de evacuação de electricidade, concluída no final de 2008 com a ligação da central à rede.

 

Nota:

“Um cromóforo ou grupo cromóforo é a parte ou conjunto de átomos de uma molécula responsável por sua cor. Também se pode definir como uma substância que tem muitos electrões capazes de absorver energia ou luz visível e excitar-se para assim emitir diversas cores, dependendo dos comprimentos de onda da energia emitida troca de nível energético dos electrões, do estado excitado ao estado fundamental.Quando uma molécula absorve certos comprimentos de onda de luz visível e transmite ou reflecte outras, a molécula tem uma cor. Um cromóforo é uma região molecular onde a diferença de energia entre duas orbitais atómicas cai dentro do intervalo do espectro visível. A luz visível que incide no cromóforo pode também ser absorvida excitando um electrão a partir de seu estado de energia mínima.Nas moléculas biológicas úteis para capturar ou detectar energia luminosa, o cromóforo é a semi-molécula que causa uma alteração na conformação do conjunto ao receber luz.”

 

Um excitão é uma quasipartícula electricamente neutra que existe em materiais isoladores, semicondutores e em alguns líquidos. É considerado uma forma de matéria condensada, capaz de transportar energia sem que tenha associada qualquer carga global. Forma-se na sequência da absorção de um fotão por parte de um material com propriedades de semicondutor.

 

Fontes/Para saber mais:

 http://iopscience.iop.org/1367-2630/12/10/105012/pdf/1367-2630_12_10_105012.pdf 

http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=power-plants-engineers-mimic-photosynthesis


http://solar.sanyo.com/hit.html