Planten staan al een tijdje in de schijnwerpers als energieleveranciers van de toekomst. We gooien ze in energiecentrales om huizen en water te verwarmen, of gebruiken de biomassa als opstapje naar bio-ethanol voor in de benzinetank. In landen met veel onbenutte open ruimte, zoals Brazilië en de VS, staan hectares vol grassen, koolzaad en maïs. Daar verbouwt de boer niet alleen planten voor voedsel en veevoer, maar ook voor energie.

Helaas heeft de Nederlandse boer niet dezelfde luxe. Bijna elke vierkante kilometer landbouwgrond in Nederland is gereserveerd voor voedselproductie. Maar we hebben één van de meest ontwikkelde landbouwindustrieën ter wereld, na de VS is Nederland de grootste exporteur van landbouwproducten. Kunnen we onze kennis van planten dan niet gebruiken in een economie die steeds groener lijkt te worden?

Dat is de vraag die onder andere zes Nederlandse universiteiten zich ook stelden. Hun antwoord kwam naar buiten in de vorm van het nieuwe onderzoeksprogramma Towards Biosolar Cells. Dit programma, waar minister Gerda Verburg van Landbouw, Natuur en Voedselkwaliteit 25 miljoen euro subsidie aan toekende en dat wordt uitgevoerd onder de vlag van haar ministerie, richt zich op het toepassen en het verbeteren van de fotosynthese.

Fotosynthese is het biochemische proces waarmee groene planten en micro-organismen licht omzetten in energie. Helaas doen planten dit met een efficiëntie van slechts één tot twee procent. Kan de mens dit verbeteren?

www.photo-paysage.com

Aan het onderzoeksprogramma Towards Biosolar Cells werken naast de zes universiteiten dertig bedrijven, drie instituten, een hbo-instelling en NWO mee. Het doel is drieledig:

• Het verhogen van de efficiëntie van de fotosynthese in planten. Zo groeien er binnen kortere tijd meer of grotere planten, die we vaker kunnen oogsten voor energie, voedsel en veevoer.
• Het gebruiken van het fotosynthetische proces van micro-organismen om direct brandstof te produceren. Onderzoekers denken bijvoorbeeld aan algen die butanol maken, wat we weer kunnen gebruiken als brandstof voor de motor.
• Het bouwen van kunstmatige bladeren. De ‘bladeren’ zitten vol met microreactoren. Zonlicht drijft de microreactoren aan, die op hun beurt water omzetten in puur waterstof of synthesegas, een mengsel van waterstof en koolmonoxide uit CO₂. De waterstof en het ‘syngas’ kunnen we milieuvriendelijk verstoken. Syngas is bovendien een belangrijke grondstof voor de chemische industrie.

Reactor

Met de 25 miljoen euro hopen de wetenschappers vijf jaar vooruit te kunnen. In die vijf jaar moet een behoorlijke stap zijn gezet om elk doel te halen.

In het onderzoek naar de kunstmatige bladeren verwachten de wetenschappers na vijf jaar een testopstelling te hebben van het hele proces, van licht tot waterstof. De opstelling bestaat uit een halfgeleiderelektrode zoals titaandioxide (TiO₂) met daarop een nanogestructureerd systeem dat water met licht oxideert. Het resultaat is zuurstof en losse protonen en elektronen. Die protonen en elektronen gaan naar een elektrode aan de andere kant van het ‘blad’. Hier worden ze omgezet in waterstofgas (H₂) of gemengd met CO₂ voor synthesegas (H₂CO).

Het kunstblad heeft uiteindelijk weinig meer met fotosynthese te maken. Het lijkt meer op een reactor op zonne-energie, maar dan wel een hele goede: de onderzoekers verwachten op termijn een efficiëntie te halen van een theoretische veertig procent.

Vliegtuigbrandstof

De fotosynthetische micro-organismen zijn wat minder efficiënt dan de kunstbladeren, maar al wel een stukje dichter bij de praktijk. Over vijf jaar moeten er werkende prototypes liggen van vijf procent efficiënte bioreactoren. Dit vereist een staaltje biotechnologie: de fotosynthese die de organismen van nature al uitvoeren moet gekoppeld worden aan een ander proces, de vergisting.

Vergisting ligt aan de basis van elk lekker biertje. In het proces komen suikers vrij die weer worden omgezet in alcohol. De onderzoekers willen het gistproces via genetische modificatie inbouwen in fotosynthetische micro-organismen. Koppel de twee aan elkaar, en je hebt een droombacterie: eentje die zonlicht omzet in energierijke alcohol.

Sommige van deze micro-organismen worden al gebruikt in afvalwaterzuiverings-installaties. Ergens in de Achterhoek werkt het Nederlandse bedrijf Ingrepro aan het maken van vliegtuigbrandstof uit rioolwater. Met algen, om precies te zijn. In een interview met de Volkskrant voorspelt de eigenaar van Ingrepro zelfs dat men in de toekomst dik zal gaan betalen voor organisch afval.

Proefveldjes

Ook de planten worden niet vergeten. De wetenschappers willen immers de lage efficiëntie van moeder Natuur behoorlijk opkrikken. Maar dat is lastiger dan het lijkt. Volgens Huub de Groot, professor aan de faculteit Wiskunde & Natuurwetenschappen van de universiteit Leiden, ligt dat vooral aan de genetische wirwar die aan de fotosynthese ten grondslag ligt.

“De kennis die we halen uit onderzoek naar genen, zoals proteomics en genomics, begint eindelijk vorm te krijgen. We weten wat er in het DNA zit, nu moeten we kijken hoe we die kennis gaan toepassen. Woestijnplanten hebben bijvoorbeeld een fenomenale fotosynthese rate: na één buitje groeien ze enorm snel. Als we de regulatieprocessen uit die planten kunnen identificeren en in andere planten zetten, valt er enorm veel energie te winnen. Maar we hebben nog geen gewassen op proefveldjes staan, daarvoor moeten nog een paar jaar onderzoek doen.”

Het doel van de onderzoekers is om na vijf jaar een aantal sleutelgebieden in het genoom van aardappelen, tarwe en suikerbieten (afgebeeld) te hebben ontrafeld.

Autoweg

Fotosynthese gaat de komende jaren een grote sprong voorwaarts maken. En niet alleen in Nederland. Ook de Amerikaanse president Barack Obama noemde fotosynthese als expliciet voorbeeld voor een impulsprogramma voor duurzame energie. Toch heeft Nederland volgens De Groot niet alleen de beste kennis, maar ook de beste reden om vol in te zetten op fotosynthese via algen en kunstbladeren.

De Groot: “In Amerika kunnen ze de hele staat Wyoming volplanten met niks anders dan switchgrass wat ze gebruiken voor energie; hier in Nederland is dat ondenkbaar. De kunstbladeren zijn bijvoorbeeld geen perfecte vervanging voor de Veluwe. Mensen willen immers hun zondagmiddagwandeling maken onder groene bladeren. In plaats daarvan zoeken we een oppervlak dat we al benutten. Voor de bladeren denken we ver in de toekomst aan de autoweg. Hier storen kunstmatige bladeren niemand.”

Het lijkt er dus op dat de landbouwindustrie in Nederland een zonnige toekomst tegemoet gaat – tenminste, als de Nederlandse onderzoekers de fotosynthese aan de praat krijgen.

Lees meer op Kennislink:

• Zonnepaneel van moeder Natuur
• Efficiënte bacterie geeft trucje bloot
• Fotosynthese in een glazen bol
• Energietransfer in ‘natuurgebaseerde’ zonnecel sterk verbeterd
• Zuivere CO2 voor kassen komt eraan
• Zonne-energie beter benutten

Lees meer over Towards Biosolar Cells:

• Persbericht van de Wageningen Universiteit
• Video van het ANP (filmpje opent direct in Media Player)