Plant kan leren van een zonnecel

Planten benutten zonlicht veel minder efficiënt dan moderne zonnecellen.

Biologen, chemici en fysici zijn begonnen aan een inhaalrace. Voor planten dus.

Solar panels collect sunlight at the Hanau Energies SAS solar project in Weinbourg, France, on Wednesday, Sept. 1, 2010. France's cuts to feed-in tariffs earned by ground-mounted solar photovoltaic installations may be duplicated elsewhere in Europe as solar-panel prices fall. Photographer: Fabrice Dimier/Bloomberg
Solar panels collect sunlight at the Hanau Energies SAS solar project in Weinbourg, France, on Wednesday, Sept. 1, 2010. France's cuts to feed-in tariffs earned by ground-mounted solar photovoltaic installations may be duplicated elsewhere in Europe as solar-panel prices fall. Photographer: Fabrice Dimier/Bloomberg Bloomberg

De Amerikaanse biochemicus Robert Blankenship van de Washington University in St. Louis laat tijdens lezingen twee foto’s zien, van een maïsveld en van een grote installatie met zonnepanelen. „Welke van deze twee maakt het efficiëntst gebruik van zonne-energie?” vraagt hij het publiek. „Ze kiezen altijd voor fotosynthese”, zegt Blankenship, „maar dat is het verkeerde antwoord.”

Nog wel. Maar misschien niet lang meer, want wetenschappers proberen de fotosynthese – de reactie waarmee planten lichtenergie van de zon vastleggen in energierijke moleculen – op allerlei manieren te verbeteren. In een overzichtsartikel in het wetenschappelijk tijdschrift Science van eerder deze maand lopen Blankenship en zijn collega’s de mogelijkheden na. Het artikel kwam voort uit een eerdere workshop over fotosynthese, waarin biologen, chemici en natuurkundigen de hoofden bij elkaar staken.

De onderzoekers berekenden dat zonnecellen een efficiëntie halen van rond de 10 procent. Ze constateerden ook dat de meeste landbouwgewassen een efficiëntie halen van minder dan 1 procent. Algen die gekweekt worden in bioreactors zouden 3 procent kunnen halen, maar blijven dan nog altijd ver achter bij het hoogtechnologische silicium.

Zonnecellen gebruiken nagenoeg het hele spectrum van het zonlicht om het om te zetten in elektrische energie. De fotosynthese van planten houdt op bij een golflengte van 710 nanometer. Alles in het spectrum van het zonlicht wat daarboven zit, wordt niet benut. En terwijl zonnecellen steeds meer stroom leveren naarmate er meer licht op valt, schakelen planten en algen de fotosynthesereactie uit als het licht te fel wordt.

De Amerikanen schrijven in Science dat planten efficiënter zouden kunnen worden door ze uit te rusten met het fotonen invangende pigment van fotosynthetiserende bacteriën, een suggestie van biofysicus Rienk van Grondelle van de Vrije Universiteit in Amsterdam. „Dat pigment kan ook infrarood licht benutten en daarmee is dan vrijwel het volledige spectrum van zonlicht gedekt.”

Planten hebben van nature twee verschillende systemen voor fotosynthese, die elkaar grotendeels overlappen. „Ze concurreren om dezelfde fotonen”, zegt Van Grondelle. Het minst efficiënte systeem zou volgens hem vervangen kunnen worden door het bacteriële fotosysteem dat infrarood kan benutten. Door genetische manipulatie of synthetische biologie zouden hybriden gemaakt kunnen worden die chlorofyl (pigment uit de bladgroenkorrels van planten) en bacteriochlorofyl (pigment van de bacterie) in hun cellen zouden maken.

Van Grondelle laat dit deel van het onderzoek over aan anderen („het is niet mijn expertise”), maar hij werkt wel aan fundamentele kennis waarmee kan worden voorkomen dat planten de fotosynthese uitzetten. Vorig jaar kreeg hij 3 miljoen euro subsidie voor dit onderzoek. „Ik hoop de aan- en uitschakelaar te vinden”, zegt Van Grondelle.

De efficiënte zonnecellen zullen ook altijd gebruikt blijven worden, maar het probleem daarbij is de opslag van energie, aldus Van Grondelle. „Er is een maximum aan de capaciteit van batterijen en uiteindelijk zal er daarvoor te weinig lithium in de wereld zijn. Elektrische energie omzetten in waterstof door middel van elektrolyse is niet heel efficiënt.”

Bio-energie als alternatief staat daarom flink in de belangstelling van energieproducenten. Hoewel de productie van bio-energie door organismen met een verbeterde fotosynthese volgens Van Grondelle „niet van vandaag op morgen werkelijkheid wordt”, verwacht hij het „rond 2020”. Hij stelt het zich al voor: „Een cyanobacterie of een synthetisch gemaakte bacterie zou dan gekweekt kunnen worden in bassins op zee. Zo hoeft de productie van bio-energie niet ten koste te gaan van de kostbare landbouwgrond die hard nodig is om de groeiende wereldbevolking te voeden.” Uiteindelijk kan de efficiëntie van de fotosynthese wel boven de 10 procent uitkomen, denkt Van Grondelle.