Kunstig fotosyntese utviklet for å gjøre matproduksjonen mer energieffektiv

Forskere har funnet en måte å omgå behovet for biologisk fotosyntese helt og lage mat uavhengig av sollys ved å bruke kunstig fotosyntese. Studien ble publisert i tidsskriftet, Natur Mat.

Forskere brukte en to-trinns elektrokatalytisk prosess for å omdanne karbondioksid, elektrisitet og vann til acetat, formen av hovedkomponenten i eddik. Matproduserende organismer spiser deretter acetat i mørket for å vokse.

Kombinert med solcellepaneler for å generere elektrisitet for å drive elektrokatalysen, kan dette hybride organisk-uorganiske systemet øke konverteringseffektiviteten av sollys til mat, opptil 18 ganger mer effektiv for enkelte matvarer.

"Med vår tilnærming prøvde vi å identifisere en ny måte å produsere mat på som kunne bryte gjennom grensene som normalt pålegges av biologisk fotosyntese," sa tilsvarende forfatter Robert Jinkerson, en UC Riverside assisterende professor i kjemi- og miljøteknikk.

For å integrere alle komponentene i systemet sammen, ble effekten av elektrolysatoren optimalisert for å støtte veksten av matproduserende organismer. Elektrolysører er enheter som bruker elektrisitet til å konvertere råvarer som karbondioksid til nyttige molekyler og produkter. Mengden produsert acetat ble økt mens mengden salt som ble brukt ble redusert, noe som resulterte i de høyeste nivåene av acetat som noen gang er produsert i en elektrolysator til dags dato.

"Ved å bruke et toppmoderne to-trinns tandem CO2-elektrolyseoppsett utviklet i laboratoriet vårt, var vi i stand til å oppnå en høy selektivitet mot acetat som ikke kan nås gjennom konvensjonelle CO2-elektrolyseruter," sa korresponderende forfatter Feng Jiao ved University of Delaware.

Eksperimenter viste at et bredt spekter av matproduserende organismer kan dyrkes i mørket direkte på den acetatrike elektrolysatoren, inkludert grønnalger, gjær og soppmycel som produserer sopp. Å produsere alger med denne teknologien er omtrent fire ganger mer energieffektivt enn å dyrke det fotosyntetisk. Gjærproduksjonen er omtrent 18 ganger mer energieffektiv enn hvordan den vanligvis dyrkes med sukker utvunnet fra mais.

"Vi var i stand til å dyrke matproduserende organismer uten noen bidrag fra biologisk fotosyntese. Vanligvis dyrkes disse organismene på sukker som stammer fra planter eller tilførsel fra petroleum - som er et produkt av biologisk fotosyntese som fant sted for millioner av år siden. Denne teknologien er en mer effektiv metode for å gjøre solenergi om til mat, sammenlignet med matproduksjon som er avhengig av biologisk fotosyntese, sier Elizabeth Hann, doktorgradskandidat ved Jinkerson Lab og medforfatter av studere.

Potensialet for å bruke denne teknologien til å dyrke avlingsplanter ble også undersøkt. Cowpea, tomat, tobakk, ris, raps og grønne erter var alle i stand til å utnytte karbon fra acetat når de ble dyrket i mørket.

"Vi fant ut at et bredt spekter av avlinger kunne ta acetatet vi ga og bygge det inn i de viktigste molekylære byggesteinene en organisme trenger for å vokse og trives. Med litt avl og ingeniørarbeid som vi for tiden jobber med, kan vi kanskje dyrke avlinger med acetat som en ekstra energikilde for å øke avlingene, sier Marcus Harland-Dunaway, doktorgradskandidat i Jinkerson Lab og medforfatter av studien.

Ved å frigjøre landbruket fra fullstendig avhengighet av solen, åpner kunstig fotosyntese døren til utallige muligheter for å dyrke mat under de stadig vanskeligere forholdene som påtvinges av menneskeskapte klimaendringer. Tørke, flom og redusert arealtilgjengelighet ville i mindre grad være en trussel mot global matsikkerhet dersom avlinger for mennesker og dyr vokste i mindre ressurskrevende, kontrollerte miljøer. Avlinger kan også dyrkes i byer og andre områder som for tiden er uegnet for jordbruk, og til og med gi mat til fremtidige romfarere.

"Å bruke kunstig fotosyntese tilnærminger for å produsere mat kan være et paradigme shift for hvordan vi mater folk. Ved å øke effektiviteten i matproduksjonen trengs mindre land, noe som reduserer påvirkningen landbruket har på miljøet. Og for landbruk i utradisjonelle miljøer, som verdensrommet, kan den økte energieffektiviteten bidra til å mate flere besetningsmedlemmer med færre innsatser,» sa Jinkerson.

Denne tilnærmingen til matproduksjon ble sendt inn til NASAs Deep Space Food Challenge hvor den ble en fase I-vinner. Deep Space Food Challenge er en internasjonal konkurranse hvor priser deles ut til lag for å skape nye og endrende matteknologier som krever minimalt med innsats og maksimerer trygge, næringsrike og velsmakende matproduksjoner for langvarige romoppdrag.

"Tenk deg en dag gigantiske kar som dyrker tomatplanter i mørket og på Mars - hvor mye lettere ville det være for fremtidige marsboere?" sa medforfatter Martha Orozco-Cardenas, direktør for UC Riverside Plant Transformation Research Center.