(Sarayut Thaneerat/Getty Images) Der Prozess der Umwandlung von Wasser, Kohlendioxid und Sonnenlicht in Sauerstoff und Energie hilft Pflanzen, auf natürliche Weise zu wachsen – und es ist ein Prozess, den Wissenschaftler untersuchen nutzen und anpassen um Nahrungsmittel, Treibstoff und mehr zu produzieren.
In einer neuen Studie skizzieren Wissenschaftler eine experimentelle Technik der künstlichen Photosynthese, die einen zweistufigen elektrokatalytischen Prozess einsetzt, um von Sonnenkollektoren erzeugtes Kohlendioxid, Wasser und Strom in umzuwandeln Acetat (der Hauptbestandteil von Essig). Dieses Acetat kann dann von Pflanzen zum Wachsen genutzt werden.
Tatsächlich soll das System, das die Forscher hier entworfen haben, nicht nur die in der Natur stattfindende Photosynthese nachahmen, sondern sie sogar verbessern – in Pflanzen wird nur etwa 1 Prozent der Energie des Sonnenlichts tatsächlich in pflanzliche Biomasse umgewandelt hier kann die Effizienz etwa um das Vierfache vervielfacht werden.
Ein Überblick über die Technik der Forscher. (Hann et al, Nature Food 2022)
„Mit unserem Ansatz versuchten wir, eine neue Art der Nahrungsmittelproduktion zu finden, die die Grenzen überwinden könnte, die normalerweise durch die biologische Photosynthese gesetzt werden.“ sagt der Chemie- und Umweltingenieur Robert Jinkerson von der University of California, Riverside.
Das von den Forschern entwickelte Gerät zur Stromumwandlung bzw. der Elektrolyseur musste speziell optimiert werden, um als Wachstumstreiber für Lebensmittel produzierende Organismen zu fungieren, was zum Teil bedeutete, dass die Menge an Acetat erhöht und die Menge an produziertem Salz gesenkt wurde.
Weitere Experimente des Teams zeigten, dass die acetatreiche Elektrolyseurleistung eine Vielzahl von Organismen unterstützen könnte, darunter Grünalgen, Hefe und Myzel, das Pilze produziert. Zum Vergleich: Die Algenproduktion ist mit dieser Methode etwa viermal energieeffizienter als die natürliche Photosynthese.
Die Wissenschaftler zeigten, dass Augenbohnen, Tomaten, Tabak, Reis, Raps und grüne Erbsen den Kohlenstoff im Acetat nutzen und ohne Sonnenlicht wachsen konnten. Der Prozess könnte sowohl zusätzlich zur normalen Photosynthese als auch anstelle dieser eingesetzt werden.
Pflanzen wachsen in völliger Dunkelheit in einem Acetatmedium. (Marcus Harland-Dunaway/UCR)
„Wir haben herausgefunden, dass eine Vielzahl von Nutzpflanzen das von uns bereitgestellte Acetat aufnehmen und in die wichtigsten molekularen Bausteine einbauen können, die ein Organismus zum Wachsen und Gedeihen benötigt.“ sagt Marcus Harland-Dunaway , ein Botanik- und Pflanzenwissenschaftler von der UC Riverside.
„Mit etwas Züchtung und Technik, an denen wir derzeit arbeiten, könnten wir möglicherweise Pflanzen mit Acetat als zusätzlicher Energiequelle anbauen, um die Ernteerträge zu steigern.“
Der hier beschriebene Prozess ist so beeindruckend, dass er zu den Gewinnern der NASA Deep Space Food Challenge gehört, einer Präsentation neuer Technologien, die eines Tages beim Anbau von Nahrungsmitteln im Weltraum helfen könnten: Stellen Sie sich vor, Sie könnten Pflanzen in unterirdischen Bunkern anbauen Mars , zum Beispiel.
Nicht nur im Weltraum könnte die künstliche Photosynthese eine drastische Veränderung in der Nahrungsmittelproduktion bedeuten. Der Klimakrise bedeutet, dass extreme Temperaturen, Dürre, Überschwemmungen und andere Bedrohungen für die landwirtschaftliche Standardpraxis immer häufiger auftreten.
Obwohl Prozesse wie dieser keine Entschuldigung dafür sind, sie nicht in Angriff zu nehmen Klimawandel Sie könnten dazu beitragen, die Lebensmittelproduktion widerstandsfähiger zu machen, und dazu führen, dass Pflanzen an mehr Orten angebaut werden könnten – vielleicht in städtischeren Gebieten.
„Der Einsatz künstlicher Photosyntheseansätze zur Herstellung von Nahrungsmitteln könnte einen Paradigmenwechsel für die Art und Weise bedeuten, wie wir Menschen ernähren.“ sagt Jinkerson . „Durch die Steigerung der Effizienz der Lebensmittelproduktion wird weniger Land benötigt, was die Auswirkungen der Landwirtschaft auf die Umwelt verringert.“
„Und für die Landwirtschaft in nicht-traditionellen Umgebungen wie dem Weltraum könnte die höhere Energieeffizienz dazu beitragen, mehr Besatzungsmitglieder mit weniger Aufwand zu ernähren.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Naturnahrung .