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GERAÇÃO DE COMBUSTÍVEIS SOLARES ECOLOGICAMENTE CORRETOS E DE BAIXO CUSTO: Acabando Com A Dependência Do Petróleo, Carvão E Gás Natural

GERAÇÃO DE COMBUSTÍVEIS SOLARES ECOLOGICAMENTE CORRETOS E DE BAIXO CUSTO: Acabando Com A Dependência Do Petróleo, Carvão E Gás Natural

Edição Vol. 2, N. 05, 23 de Dezembro de 2014

DOI: http://dx.doi.org/10.15729/nanocellnews.2014.12.22.004

Novos conhecimentos sobre os detalhes da separação da água fotossintética forneceram um modelo para sistemas sintéticos que poderiam armazenar a energia solar em transportadores de energia química.

Nos dias atuais, embora o pouco que chova seja o suficiente para se alagar grandes áreas, provocar enchentes no meio de metrópoles onde nem rio passa e, ainda, se deparar com a falta de água nas torneiras de casa… e os níveis das represas, continuam lá embaixo…

Um dos problemas que a falta de abastecimento de água provoca é a falta de energia elétrica, pois sem água não há como movimentar os geradores para a produção da mesma. Daí a necessidade de se usar usinas térmicas, onde se queimam carvão, petróleo e gás natural para a produção de energia, poluindo ainda mais o ambiente. Uma falta de investimento e visão estratégica contínua dos governos federais, estaduais e municipais. Nesse rolo compressor, não tem como culpar um sem dar crédito à incompetência do outro. E é a sociedade por inteiro, o povo, que sofre com os corruptos em todos os níveis e partidos demagogos deste país.

Mas, como a visão dos políticos não é a mesma dos cientistas, nós focamos nos problemas da sociedade e trabalhamos para que o bem comum seja alcançado, mesmo sem o apoio dos corruptos, um sinônimo, não mais um adjetivo, para o termo geral conhecido por todos.

Neste sentido, problemas de abastecimento de energia da sociedade poderiam ser resolvidos no futuro usando um modelo adotado a partir da natureza. Durante a fotossíntese, as plantas, algas e algumas espécies de bactérias produzem açúcares e outras substâncias ricas em energia (ou seja, combustíveis), utilizando energia solar. Uma equipe liderada por pesquisadores do Instituto Max Planck de Conversão de Energia Química em Mülheim an der Ruhr e do Commissariat à l’Énergie Atomique (CEA) em Saclay, França, os professores doutores Wolfgang Lubitz e Frank Neese, está atualmente desenvolvendo métodos experimentais para determinar como esse processo ocorre na natureza. Os cientistas estão investigando um cofator particularmente importante envolvido na fotossíntese. Os cofatores nas reações químicas são metais essenciais para que as mesmas possam ocorrer em sua maior eficiência. Um complexo de manganês-cálcio, que usa energia solar para dividir a água em oxigênio molecular. Eles determinaram a estrutura exata deste complexo em um estágio crucial desta reação química. Isto levou a uma sugestão detalhada de como o oxigênio molecular, O2, o mesmo que respiramos, é formado neste complexo metálico (1). Através destes novos insights, ou perspectiva, sobre a fotossíntese, os cientistas têm fornecido um modelo para sistemas sintéticos que poderiam armazenar a energia solar em transportadores de energia química.

Por mais de três bilhões de anos, a natureza tem utilizado a luz solar como fonte de energia primária na fotossíntese. No decorrer deste processo, plantas, algas e cianobactérias (algas azuis) usam a luz solar para quebrar a molécula da água e produzir compostos químicos ricos em energia a partir do dióxido de carbono (CO2). O produto final são hidratos de carbono, ou os açúcares, que, na natureza, atuam como combustíveis solares na célula viva. Embora as reações básicas envolvidas na fotossíntese sejam conhecidas há muito tempo, os pesquisadores dos dois Institutos já conseguiram explicar detalhes importantes do processo de quebra da água induzida pela luz. Como resultado, eles têm refinado a base científica para a geração de combustíveis solares ecologicamente corretos e de baixo custo através da fotossíntese artificial usando a luz solar e água, um desenvolvimento que poderia permitir à sociedade em acabar com sua dependência de combustíveis fósseis, como petróleo, carvão e gás natural.

Um catalisador de separação da água

A quebra catalítica da água induzida pela luz tem lugar em um complexo de metal que está ligado em uma grande proteína de membrana, o fotossistema II. O complexo é composto por quatro átomos de manganês (Mn) e um átomo de cálcio (Ca), que são mantidos juntos por meio de uma rede de pontes de oxigênio (Figura 1). Esta água oxidante ou complexo em evolução de oxigênio sofre um ciclo complicado que libera elétrons e prótons, portanto, em última análise, hidrogênio e oxigênio molecular (1).

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Figura 1: A estrutura do aglomerado de manganês como é encontrado na natureza e antes da formação da ligação O-O. No fundo, o ciclo de divisão da água com os estados intermediários S0 a S4. Diagrama: MPI for Chemical Energy Conversion

Em um artigo publicado em Agosto de 2014 na revista científica Science, a equipe de pesquisa franco-alemã apresentou a estrutura deste complexo de manganês-cálcio diretamente antes da produção do oxigênio. Esta informação em uma etapa-chave da fotossíntese na planta é altamente significativa: ela fornece uma compreensão mais detalhada do mecanismo envolvido na fotossíntese e permitirá o desenvolvimento de sistemas sintéticos para dividir a água induzida pela luz com base neste modelo. Mais simplificadamente, ela será capaz de quebrar a molécula da água e produzir energia, se a necessidade de petróleo, carvão ou gás mineral!

Três desafios colocados pela pesquisa sobre o fotossistema II

O primeiro desafio enfrentado pelos pesquisadores envolvidos foi na extração e purificação da proteína fotossistema II com o complexo de quebra da água totalmente intacto do organismo original, uma cianobactéria termófila, ou que vive em regiões muito quentes, encontrada em águas termais e vulcões no Japão e é muito robusta. Para cumprir os requisitos muito rigorosos em relação à qualidade da preparação, os pesquisadores em Saclay tiveram de realizar vários anos de trabalho de desenvolvimento em cooperação com pesquisadores do Japão.

O segundo desafio da equipe de pesquisa encontrou foi a caracterização do complexo de manganês no fotossistema II durante as diferentes fases de quebra da água. Os pesquisadores do Instituto Max Planck em Mülheim superaram este obstáculo com a ajuda da ressonância paramagnética eletrônica (em inglês, electron paramagnetic resonance, EPR). Esta técnica torna possível visualizar a distribuição dos elétrons em uma molécula ou do complexo metálico e, portanto, oferece uma visão em profundidade dos estágios individuais da quebra da água. Estas medidas geraram novas informações e permitiram a solução de problemas relativos à análise detalhada de estruturas moleculares no ciclo da reação de quebra da água, que não são acessíveis através de outros métodos.

Finalmente, o terceiro desafio consistiu em usar as informações obtidas para a produção de um modelo estrutural completo do biocatalisador. Os cálculos necessários para este processo foram facilitados usando novos métodos teóricos e os supercomputadores do Departamento de Teoria Molecular do Instituto Max Planck. Desta forma, os pesquisadores conseguiram demonstrar que, durante a fase tardia do ciclo da reação de quebra da água, uma segunda molécula de água liga-se ao lado de um átomo de oxigênio ativo no complexo e libera um próton. Isto leva à formação da ligação O-O no passo seguinte (Figura 1).

Combustível a partir luz solar – copiando a natureza

Graças a esta decodificação da estrutura e função do catalisador de quebra da água no fotossistema II a nível atômico, uma explicação do mecanismo de separação da água está agora ao alcance. Este conhecimento permite a identificação de critérios importantes para a concepção de catalisadores sintéticos similares, que dividem a água usando elementos facilmente disponíveis, ambientalmente amigáveis e de baixo custo. Atualmente, platina e outros metais raros ou complexos metálicos caros são amplamente utilizados para este fim. Isso faz com que a produção em larga escala de transportadores de energia renováveis (combustíveis), como o hidrogênio, sejam muito caros ou até mesmo impossíveis.

Com a ajuda de catalisadores inspirados na biologia da natureza, hidrogênio ou outro combustível solar poderia ser produzido de forma barata por meio da combinação de dispositivos de energia solar com os catalisadores de separação da água para a produção de combustíveis solares em vez de eletricidade.

Isso permitiria ao setor de energia superar os principais problemas associados com a energia solar: a luz solar não está disponível o tempo todo como fonte de energia, e a energia elétrica não é muito bem adequada para o uso em veículos a motor. Em contraste, o conceito de combustível solar, permite a armazenagem direta da energia solar em compostos químicos e, portanto, a utilização desta energia em qualquer momento ou lugar.

Os combustíveis solares sintéticos abrem possibilidades amplas de tecnologias de energias renováveis, em particular para os setores dos transportes e infra-estrutura, que ainda são dependentes de combustíveis fósseis. Um catalisador eficiente de quebra da água dirigida pela luz e à base de metais comuns, tais como o manganês, representaria um enorme progresso. O conhecimento adquirido na enzima da natureza, fotossistema II, de quebra da água, através desta pesquisa lançou as bases para essa evolução. Um possível prêmio Nobel a vista e, uma grande possibilidade de não haver mais Petrolão…

Referências

1. Cox N, Retegan M, Neese F, Pantazis DA, Boussac A, Lubitz W. Photosynthesis. Electronic structure of the oxygen-evolving complex in photosystem II prior to O-O bond formation. Science. 2014 Aug 15;345(6198):804-8. PubMed PMID: 25124437. Epub 2014/08/16. eng.

 

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