Эксперимент, получивший премию НАСА, может стать будущим искусственного фотосинтеза

Процесс превращения воды, углекислого газа и солнечного света в кислород и энергию помогает растениям расти естественным образом - и это процесс, который ученые хотят использовать и адаптировать для производства продуктов питания, топлива и многого другого.

В новом исследовании ученые описывают экспериментальную технику искусственного фотосинтеза, которая использует двухэтапный электрокаталитический процесс для превращения углекислого газа, воды и электроэнергии, вырабатываемой солнечными панелями, в ацетат (основной компонент уксуса). Затем этот ацетат может быть использован растениями для роста.

На самом деле, система, которую разработали исследователи, призвана не просто имитировать фотосинтез, происходящий в природе, но и улучшить его - в растениях только около 1 процента энергии солнечного света превращается в биомассу, тогда как здесь эффективность может быть увеличена примерно в четыре раза.

"С помощью нашего подхода мы стремились найти новый способ производства пищи, который мог бы преодолеть ограничения, обычно налагаемые биологическим фотосинтезом", - говорит инженер-химик и эколог Роберт Джинкерсон из Калифорнийского университета в Риверсайде.

Устройство для преобразования электроэнергии или электролизер, разработанный исследователями, должен был быть специально оптимизирован для того, чтобы выступать в качестве стимулятора роста организмов, производящих пищу, что, в частности, означало увеличение количества ацетата и уменьшение количества производимой соли.

Дальнейшие эксперименты команды показали, что богатый ацетатом выход электролизера может поддерживать различные организмы, включая зеленые водоросли, дрожжи и мицелий, который производит грибы. Для сравнения, производство водорослей с помощью этого метода примерно в четыре раза более энергоэффективно по сравнению с естественным фотосинтезом.

Ученые показали, что горох, томаты, табак, рис, канола и зеленый горошек способны использовать углерод, содержащийся в ацетате, и расти без солнечного света. Этот процесс можно использовать как в дополнение к обычному фотосинтезу, так и вместо него.

"Мы обнаружили, что широкий спектр культур может принимать предоставленный нами ацетат и встраивать его в основные молекулярные строительные блоки, необходимые организму для роста и процветания", - говорит Маркус Харланд-Дунавей, ботаник и растениевод из Калифорнийского университета в Риверсайде.

"С помощью селекции и инженерных разработок, над которыми мы сейчас работаем, мы сможем выращивать сельскохозяйственные культуры с ацетатом в качестве дополнительного источника энергии для повышения урожайности".

Описанный здесь процесс настолько впечатляет, что он стал одним из победителей конкурса NASA Deep Space Food Challenge - демонстрации новых технологий, которые в один прекрасный день могут помочь в выращивании пищи в космосе: представьте себе возможность выращивать урожай в подземных бункерах на Марсе, например.

Искусственный фотосинтез может кардинально изменить производство продуктов питания не только в космосе. Климатический кризис означает, что экстремальные температуры, засуха, наводнения и другие угрозы для стандартных методов ведения сельского хозяйства становятся все более распространенными.

Хотя подобные процессы не являются оправданием для того, чтобы не бороться с изменением климата, они могут помочь сделать производство продуктов питания более устойчивым и означать, что сельскохозяйственные культуры можно будет выращивать в большем количестве мест - возможно, в городских районах.

"Использование методов искусственного фотосинтеза для производства продуктов питания может стать сменой парадигмы в том, как мы кормим людей", - говорит Джинкерсон. "Благодаря повышению эффективности производства продуктов питания требуется меньше земли, что снижает воздействие сельского хозяйства на окружающую среду".

"А для сельского хозяйства в нетрадиционных условиях, например, в космосе, повышение энергоэффективности может помочь прокормить больше членов экипажа при меньших затратах".

Исследование было опубликовано в журнале Nature Food.