Yapay Yapraklar, Fotosentez Verimliliği, Yakıt Hücreleri ve Enerji Üretimi

Fotosentez, evrimsel süreçte ortaya çıkmış en ilginç biyokimyasal süreçlerden birisidir. Aslında Güneş gibi bir kaynaktan sürekli olarak enerji alan bir gezegende (Dünya), enerji üretimine muhtaç olan varlıklarda (canlılar) fotosentez gibi bir besin/enerji üretim yönteminin evrimleşmemesi şaşırtıcı olurdu doğrusu... Dolayısıyla fotosentezin varlığı çok da ilginç olmamalı. Ancak süreç öylesine ilgi çekici ve detaylı ki, bilim insanları çok uzun yıllardır fotosentezin nasıl evrimleştiğini anlamaya çalışıyorlar. Bugüne kadar birçok başarılı açıklama da yapıldı; çünkü fotosentezden daha az verimli olan, onun "atası" olabilecek, fotosentez sürecine oldukça benzeyen ancak bazı noktalarını barındırmayan başka biyokimyasal süreçler tespit edildi. Fotosentezin evrimini ve bunun canlılık tarihine etkisini buradaki makalemizde incelemiştik.

Ancak tabii ki sürekli bizi enerji bombardımanına tutan Güneş'ten besin veya enerji üretebilmek sadece temel bilimle uğraşan bilim insanlarının ilgisini çekmemektedir. Mühendisler de, bundan kendilerine pay çıkarmak için biyologlara göre kısmen daha az süredir de olsa, harıl harıl çalışmaktadırlar. "Yapay Yaprak" ya da "Yapay Fotosentez" olarak bilinen mühendislik ürünleri, her geçtiğimiz sene daha da yüksek verimli olacak şekilde üretilebilmektedir. Örneğin 2015 senesinde Melbourne'deki Monash Üniversitesi bilim insanlarının ürettiği yapay yapraklar, suyu ve Güneş ışığını kullanarak hidrojen ve oksijen üretmeyi başarmaktadır. "İyi de, fotosentezde glikoz üretilir!" diyebilirsiniz. Mühendislerin amacı motomot bir şekilde fotosentezi taklit ederek glikoz üretmek değil. Fosil yakıtların (petrol gibi) yerini alacak, Güneş enerjisine dayanan ancak verimliliği yüksek olan yakıt hücreleri üretmek... Bu yakıt hücreleri, Dünya'ya akıl almaz zararlar veren petrol yerine, su kullanacaktır! Daha doğrusu suyun elektroliz edilmesi sayesinde ortaya çıkan hidrojeni... Ancak hidrojen üretmek çok zordur ve çok düşük verimlilikle başarılabilmektedir. İşte bu nedenle fotosentez, mühendisler için önemli bir modeldir, bir araçtır. Onların asıl amacı, suyla çalışan yakıt hücreleri sayesinde bizi fosil yakıtlardan tamamen kurtarıp, bunu yaparken verimliliği fosil yakıtlarla çalışan arabalardaki kadar yüksek tutabilmektir. 

Verimlilik, mühendislikte neredeyse "her şey" olduğu için, bir verimlilik tablosu çıkarmak, fotosentez verimliliğinin ne kadar önemli olduğunu anlamanıza katkı sağlayacaktır.Verimlilik, ya da daha spesifik olarak enerji verimliliği, enerji üreten makinalardan aldığımız enerji çıktısının, o makinaların çalışması için harcadığımız enerjiye oranıdır. Ne kadar az enerji harcayarak, ne kadar fazla enerji üretebilirsek, makinamız o kadar verimlidir. Bu verimliliği etkileyen en büyük faktörler arasında tabii ki makinanın çalışmasında harcanan enerji miktarı ve makinanın kendi içerisindeki enerji kayıpları bulunur.

Aşağıda, her bir teknoloji ürününün ortalama verimlilik değerleri verilmiştir. Verimlilik ne kadar yüksekse, o kadar iyidir. Ancak tabii ki verimliliğin yüksekliğine karşılık uygulanabilirlik, maliyet, kullanılabilir alanlar, vb. kriterler işleri değiştirebilmektedir. Fakat gelin şimdilik sadece verimliliğe odaklanalım ve insanlığın ürettiği çeşitli enerji üretim mekanizmalarının ne kadar verimlilikle çalıştığına bakalım (bunlar yaklaşık ortalama değerlerdir ve çeşitli faktörlere göre değişebilir):

• Büyük Hidroelektrik Santral: %95

• Gel-Gitten Enerji Üretimi: %90

• Küçük Hidroelektrik Santral: %90

• Eriyik Karbonatlı Yakıt Hücresi: %55

• Sterling Motoru: %50

• Katı Oksitli Yakıt Hücresi: %47

• Kömür Santralleri: %45

• Petrol Santralleri: %42

• Proton Değişim Zarlı Yakıt Hücresi: %40

• Fosforik Asitli Yakıt Hücresi: %40

• Gaz Türbini: %38

• Nükleer Santral: %36

• Rüzgar Türbini: %33

• Biyokütle: %33

• İçten Yanmalı Motor (Dizel): %32

• Lağım Atıkları: %26

• İçten Yanmalı Motor (Benzin): %24

• Mikrotürbin: %22

• Termal (Güneş): %20

• Fotovoltaik (Güneş): %15

• Jeotermal: %15

• Okyanustan Termal Dönüşüm: %5 

İşte normalde "yakıt hücreleri" olarak bilinen ve hidrojenle çalışan enerji kaynakları uzun bir süredir mühendisliğin ilgi alanıdır. Çünkü bazı modifikasyonlar sayesinde verimlilik %50'yi aşabilmektedir. Arabalarımızda şu anda yaygın olarak kullanılan ve benzin yakarak çalışan içten yanmalı motorların içler acısı %24'lük verimlilik oranı bu nedenle kolaylıkla yenilebilir; ancak tabii ki şu anda halihazırda yerleşik olan sistemi açık ara farkla yenebilecek ve aynı kolaylıkla uygulanabilecek sistemler geliştirilmelidir (ve tabii, bol miktarda da cesaret, girişimcilik, ataklık gerekmektedir). 

Bu hedefe en fazla yaklaşmayı başarabileceği düşünülen yakıt hücrelerinin bazı sorunları bulunmaktadır: örneğin ihtiyaç duyulan yakıt tankları ve genel olarak mekanizmalar yeterli enerji üretebilmek için oldukça geniş yer kaplayabilmektedir. Bir diğer sorun, yakıt olarak kullanılacak hidrojenin üretilmesi, taşınması ve güvenle depolanmasıdır. Bunun haricinde de bazı problemler bulunmaktadır. Ancak mühendisler, durmaksızın bu problemleri aşmak için yeni teknolojiler üretmektedirler. Biyomimikri, yani doğadan esinlenen ürünler, bu alanda bizim en büyük yardımcımızdır. Çünkü son birkaç asırdır var olan mühendislik teknolojimizin, son 4 milyar yıldır gezegenimizde çalışan evrimden ve ürünlerinden öğreneceği bol miktarda bilgi vardır. Bunlardan esinlenen mühendisler, kendi zekalarını da işin içine katarak son derece etkili ürünler üretebilmektedirler.

İşte yakıt hücrelerinde kullanılacak hidrojenin üretilmesi için de yaprakları taklit etmek ve fotosentezi kullanmak oldukça ilginç bir yaklaşımdır. Amaç besin üretmek değil de, hidrojen üretmek olduğu için süreç birazcık değiştirilmektedir. Bunun sonucunda, Monash Üniversitesi'nden araştırmacıların ürettiği yapay yaprakların verimliliği, son birkaç yılda %18'den %22'ye kadar yükselmiştir. Bu, yapay yapraklarda bugüne kadar görülen en yüksek verimliliktir. Elbette daha geliştirilmesi gerekmektedir; ancak bu haliyle bile bir ticari ürün haline getirmek mümkün gözükmektedir. Baş araştırmacı Dr. Leone Spicca şöyle söylüyor:

"Suyun elektrokimyasal ayrımı (elektroliz), bize çok ucuz, temiz ve yenilenebilir bir ürün olan hidrojeni yakıt olarak verebilir. Araştırmamızda yaptığımız büyük atılım önemlidir; çünkü bu tür bir yakıtın gerçek olabilmesine bir adım daha yaklaşmamızı sağlamıştır. 21. yüzyılın en büyük problemlerinden birisi, atık maddeler üretmeksizin enerji üretebilmektir. Yapay yapraklarımız sayesinde üretilen hidrojen, doğrudan yakıt hücrelerinde yakıt olarak kullanılabilir. Yakıt hücrelerinde üretilen elektriği kullanan arabalar birden fazla üretici tarafından yavaş yavaş satılmaya başlamıştır. Hidrojen, evlerde bile kullanılabilecek, temiz ve etkili bir yakıttır."

Gerçekten de, özellikle çevreye en fazla zarar veren ülkelerden birisi olan ABD'de Barack Obama, 2050 yılına kadar emisyonların (atık gazların) %80 oranında azaltılmasını sağlayacak projeleri sinyallemiştir. Eğer yapay yapraklar hayatımıza girebilecek olursa, bu hedefe ulaşmak tüm ülkeler için çok daha kolay olacaktır.

Peki, son olarak, insan şunu merak etmiyor değil: bu yapay yapraklarımızın verimliliği, gerçek ve biyolojik yaprakların verimliliğine kıyasla nasıldır? Tabii ki, iki yaprak birebir aynı işi yapmamaktadır; dolayısıyla kıyaslamak birazcık zor. Ancak yine de gerçek yaprakların verimliliği, en azından 2.4 milyar yıldır evrimleşmekte olan fotosentezin evrim gibi kör ve öngörüsüz bir doğa yasasıyla ne seviyeye ulaşabildiği hakkında fikir verecektir. Böylece, insan mühendisler tarafından üretilen mekanizmaların ne kadar etkili olduğunu anlamamız kolaylaşabilecektir.

Güneş'ten gelen ışığın sadece %45-53'ü arası bitkilerin fotosentez için kullanabilecekleri aralıktadır. Bu nedenle, Güneş ışığından fotosentez yoluyla elde edilebilecek enerjinin maksimum verimliliği teorik olarak %11'dir. Ancak bitkiler, kullanabilecekleri Güneş enerjisinin de tamamını kullanamazlar. Dolayısıyla ortalama bir bitkinin fotosentez verimliliği (ya da fotosentetik verimliliği) teorik olarak %3-6 arasında olmalıdır! Neden?

Güneş'ten gelen %100'lük ışığın %47'si biyolojik olarak kullanılamazdır; bu nedenle geriye %53 kalır. Bu %53'lük kısım, 400-700 nm dalgaboyu aralığındadır ve fotosentez için uygundur. Ancak bitki yaprakları ve klorofilleri kusursuz değildir; tam tersine, evrimin kusurlu ama iş gören yapıları olarak ciddi anlamda kayıplara sahiptirler. Işık emilimi sırasında ışığın %30'u daha kaybedilir. Geriye foton enerjisi yaprak tarafından emilebilmiş olan %37 ışık kalır. Klorofiller içerisinde de bol miktarda kayıp vardır. Bu kayıpların büyük bir kısmı, klorofilin duyarlı olduğu aralık ile düşen ışığın dalgaboyunun uyumsuzluğundan kaynaklanır. Böylece %24 kayıp daha yaşanır; geriye baştaki ışığın %28.2'si kalır. Bu, klorofil tarafından toplanan Güneş enerjisi oranıdır. Ancak klorofil içerisinde süregelen biyokimyasal tepkimelerin de her biri, mükemmel olmayan, düşük verimliliğe sahip (ama bitkinin hayatta kalmasına yetecek) tepkimelerdir. Örneğin fotosentezin en kritik adımlarından biri olan ATP ve NADPH'ın d-glikoza çevrimi %32 verimlilikle yapılır. Bu nedenle şekere doğrudan döndürülen Güneş enerjisi oranı %9'a düşer. Fakat burada da kalmamaktadır. Bu şekerin hepsi "net şeker" değildir; bitki, kendisini yaşatabilmek için depoladığı enerjiyi harcamak zorundadır. İşte bu noktada da %35-40 oranında kayıplar yaşanır. Bunların çoğu Karanlık Fotosentez Tepkimeleri ve foto-solunum için harcanır. Böylece geriye teorik olarak %5.4'lük bir verimlilik kalır. Hata payları ile birlikte bu %3-8 arasında kalmaktadır.

Halbuki pratikte bu değerler çok daha düşüktür! Bitkilerin fotosentez aracılığıyla Güneş ışığını besine dönüştürebilme verimliliği %0.1-2 arasındadır. Zirai ürünlerde bu %1-2'ye çıkmaktadır. Bilinen en verimli fotosentez ise şeker kamışındadır ve sadece %7-8 arasıdır! 

2.4 milyar yıldır evrimsel süreç dahilinde gelişen ve değişen fotosentez süreci, doğanın kör, bilinçsiz ve amaçsız evrim yasası sayesinde sadece %3 civarında bir verimliliğe ulaşabilmiştir. Bu bakımdan, insan mühendislerinin bilinçli, amaçlı, hedef-odaklı ürünlerinin başarısı çok daha iyi anlaşılabilmektedir. Mühendislik, evrimsel süreçlerle kademeli olarak ortaya çıkan ürünlerin, tüm (ya da çoğu) ara basamaklarını atlayarak doğrudan sonuca varma işidir. Bu sayede kuşların havalanması yüz milyonlarca yıl, insanların havalanması teknolojinin doğuşundan itibaren sadece birkaç asır almıştır. Elbette, ara basamakların atlaması fotosentez örneğinde pek olmasa da, kanat tasarımı gibi konularda verimlilik düşüşlerine neden olabilmektedir. Bu yüzden doğa, mühendisleri birçok konuda yenmektedir. Fakat insanlar olarak bizlerin doğa kadar engin zamanı ve kaynağı yok. Bu nedenle mühendisliğimiz var. Bu nedenle durmaksızın doğadan öğrenmeye ve ondan daha hızlı bir şekilde sonuçlara ulaşmaya çalışıyoruz.