Imagem de Kent Pilcher no Unsplash
Plantas, algas e cianobactérias possuem a capacidade única de produzir energia a partir de água e luz solar, e conseguem isso graças a fotossíntese, um processo que envolve moléculas complexas e reações químicas ainda não compreendidas. Quando estimuladas pela luz solar, essas moléculas naturais são capazes de quebrar a molécula da água em oxigênio e hidrogênio. Nesse sentido, a fotossíntese artificial é uma tecnologia que imita a fotossíntese natural para a obtenção de um combustível limpo, armazenável e eficiente – o hidrogênio.
Diferente dos combustíveis fósseis, o aproveitamento energético do hidrogênio raramente se dá por sua combustão, mas sim por meio de uma transformação eletroquímica, realizada em células conhecidas como células a combustível.
As energias eólica e solar são as duas principais formas de energia limpa disponíveis. Adicionar uma terceira – a fotossíntese artificial – mudaria significativamente o panorama das energias renováveis.
A Primeira Revolução Industrial, além de gerar transformações relacionadas ao processo de trabalho e produção, aumentou o consumo e a dependência de diferentes fontes energéticas para as mais variadas atividades antrópicas. Inicialmente, o carvão – tanto vegetal quanto mineral – era a principal fonte energética utilizada no mundo. Posteriormente, outras fontes passaram a compor a matriz energética do planeta, como o petróleo, a eletricidade e a biomassa.
O petróleo, o carvão mineral e o gás natural, também denominados combustíveis fósseis devido à sua formação decorrente da sedimentação e decomposição de matéria orgânica, correspondem às principais fontes energéticas utilizadas no mundo, representando 80% da matriz energética global.
A elevada dependência mundial dos combustíveis fósseis traz diversos desafios para o futuro. Em primeiro lugar, se tratam de fontes energéticas finitas, já que o seu ciclo de produção envolve longas eras geológicas. Além disso, são fontes que produzem gases do efeito estufa, como o CO2, que agravam as mudanças climáticas e suas consequências futuras.
Esses desafios têm resultado em uma maior procura por fontes energéticas mais limpas. Diversos países, como a Alemanha, Suécia, Reino Unido e até mesmo nações reconhecidas pelos altos índices de emissão de poluentes, como a China e os Estados Unidos, têm elevado seus investimentos em busca de fontes alternativas de energia.
Hidrelétrica, maremotriz, geotérmica, solar e eólica são os principais exemplos de fontes alternativas e renováveis. Nesse sentido, a fotossíntese artificial também pode ser considerada uma fonte ecológica, já que produz hidrogênio.
A fotossíntese pode ser definida como um processo de conversão de energia luminosa em energia química. Ela é realizada por plantas, algas e cianobactérias, que são classificadas como organismos autótrofos e fotossintetizantes por serem capazes de produzir o próprio alimento a partir da luz.
A fotossíntese é um processo longo e complexo que pode ser resumido, de forma geral, pela seguinte equação:
O hidrogênio é uma fonte de energia extremamente importante, porque além de eficiente, não gera gases poluentes quando utilizado como combustível. No entanto, produzi-lo a partir de energias limpas tem sido um grande desafio. Em parceria com pesquisadores das Universidades do Estado do Arizona e da Pensilvânia, nos Estados Unidos, o professor de química da Universidade Estadual de Campinas, Jackson Megiatto, deu um passo para a solução do problema: reproduzir em laboratório a reação de quebra de moléculas de água promovida por energia solar – a fotossíntese.
O estudo se concentrou em desenvolver moléculas fotoativas e catalisadores nanoparticulados que lembram o sistema fotossintético natural que as plantas, as algas e as cianobactérias têm usado ao longo de milhões de anos. Após estudar os processos que fazem parte da fotossíntese natural, Megiatto conseguiu sintetizar em laboratório moléculas mais resistentes, conhecidas como perfluoro porfirina, cujo comportamento é semelhante ao do cofator P680, que ocorre naturalmente nas plantas.
Para imitar a estrutura proteica do sistema natural envolvido na quebra das moléculas de água, foi preciso acrescentar um grupo fenólico à porfirina. Quando estimulada pela luz solar, essa substância rouba um elétron do grupo fenólico, gerando uma espécie química com energia suficiente para decompor as moléculas de água. De acordo com os pesquisadores, os resultados foram muito semelhantes aos obtidos quando o sistema fotossintético é submetido a mesma análise.
Outra pesquisa demonstrou que a utilização de algas triplica a eficiência da fotossíntese artificial.
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