Çok verimsiz olan bu süreç sonunda güneş ışığında bulunan enerjinin sadece %1’i bitkiye geçer. UC Riverside ve Delaware Üniversitesi bilim adamları, biyolojik fotosentez ihtiyacını tamamen ortadan kaldırmanın ve yapay fotosentez kullanarak güneş ışığından bağımsız gıda yaratmanın bir yolunu buldular.
Nature Food'da yayınlanan araştırma karbondioksiti, elektriği ve suyu, sirkenin ana bileşeni olan asetata dönüştürmek için iki aşamalı bir elektrokatalitik süreç kullanıyor. Gıda üreten organizmalar daha sonra büyümek için karanlıkta asetat tüketirler. Bu hibrit organik-inorganik sistem, elektrokatalize güç verecek elektriği üretmek için güneş panelleri ile birleştirildiğinde, güneş ışığının gıdaya dönüşüm verimliliğini bazı gıdalar için 18 kata kadar daha verimli hale getirebilir.
UC Riverside kimya ve çevre mühendisliği yardımcı doçenti Robert Jinkerson, "Yaklaşımımızla, normalde biyolojik fotosentezin getirdiği sınırları aşabilecek yeni bir gıda üretme yolu belirlemeye çalıştık" dedi.
Sistemin tüm bileşenlerini bir araya getirmek için, elektrolizörün çıktısı, gıda üreten organizmaların büyümesini desteklemek için optimize edildi. Elektrolizörler, karbondioksit gibi hammaddeleri faydalı moleküllere ve ürünlere dönüştürmek için elektrik kullanan cihazlardır. Üretilen asetat miktarı arttırılırken, kullanılan tuz miktarı azaltıldı ve bugüne kadar bir elektrolizörde üretilen en yüksek asetat seviyeleri elde edildi.
Delaware Üniversitesi'nden yazar Feng Jiao, "Laboratuvarımızda geliştirilen son teknoloji ürünü iki aşamalı tandem CO2 elektroliz kurulumunu kullanarak, geleneksel CO2 elektroliz yollarından erişilemeyen asetata karşı yüksek bir seçicilik elde edebildik" dedi. Deneyler, yeşil algler, mayalar ve mantar üreten mantar miselyumu da dahil olmak üzere, çok çeşitli gıda üreten organizmaların karanlıkta asetat açısından zengin elektrolizör çıktısında doğrudan yetiştirilebileceğini gösterdi. Bu teknoloji ile alg üretmek, fotosentetik olarak yetiştirmekten yaklaşık dört kat daha fazla enerji tasarrufu sağlar. Maya üretimi, tipik olarak mısırdan ekstrakte edilen şeker kullanılarak yetiştirildiğinden yaklaşık 18 kat daha fazla enerji verimlidir.
Jinkerson Laboratuarında doktora adayı ve çalışmanın ortak yazarı Elizabeth Hann; "Biyolojik fotosentezden herhangi bir katkı olmadan gıda üreten organizmalar yetiştirebildik. Tipik olarak, bu organizmalar bitkilerden elde edilen şekerler veya milyonlarca yıl önce gerçekleşen biyolojik fotosentezin bir ürünü olan petrolden elde edilen girdiler üzerinde yetiştirilir. Bu teknoloji, biyolojik fotosenteze dayanan gıda üretimine kıyasla güneş enerjisini gıdaya dönüştürmenin daha verimli bir yöntemidir.” diyor.
İlgili Ürünler
Bu teknolojinin bitki yetiştiriciliğindeki potansiyeli araştırıldığında; börülce, domates, tütün, pirinç, kanola ve yeşil bezelyenin karanlıkta yetiştirildiklerinde asetattan karbon kullanabildiği görüldü.
Jinkerson Laboratuarında doktora adayı ve çalışmanın ortak yazarı Marcus Harland-Dunaway, "Çok çeşitli mahsullerin sağladığımız asetatı alabileceğini ve onu bir organizmanın büyümesi ve gelişmesi için ihtiyaç duyduğu başlıca moleküler yapı taşlarına yerleştirebileceğini bulduk. Şu anda üzerinde çalıştığımız bazı ıslah ve mühendislik çalışmalarıyla mahsul verimini artırmak için ek bir enerji kaynağı olarak asetatla mahsul yetiştirebiliriz." diyor.
Yapay fotosentez, tarımı güneşe tamamen bağımlı olmaktan kurtararak, antropojenik iklim değişikliğinin getirdiği giderek zorlaşan koşullar altında gıda yetiştirmek için sayısız imkana kapı açıyor. Kuraklık, seller ve azalan arazi mevcudiyeti, insanlar ve hayvanlar için mahsullerin daha az kaynak kullanıldığı kontrollü ortamlarda yetiştirilmesi, küresel gıda güvenliği için daha az tehdit oluşturacaktır. Mahsuller şu anda şehirlerde ve tarım için uygun olmayan alanlarda yetiştirilmekte ve hatta gelecekteki uzay araştırmacıları için gıda sağlayabilir.
Jinkerson’a göre; "Gıda üretmek için yapay fotosentez yaklaşımlarını kullanmak, insanları nasıl beslediğimiz konusunda bir paradigma değişikliği olabilir. Gıda üretiminin verimliliğini artırarak daha az toprağa ihtiyaç duyulur ve tarımın çevre üzerindeki etkisi azaltılır. Uzay gibi geleneksel olmayan ortamlarda yapılan tarım için artan enerji verimliliği, daha az girdiyle daha fazla mürettebat üyesinin beslenmesine yardımcı olabilir "
Gıda üretimine yönelik bu yaklaşım, NASA'nın Deep Space Food Challenge yarışmasına sunuldu ve burada birinci aşamayı kazandı. Deep Space Food Challenge, uzun süreli uzay görevleri için minimum girdi gerektiren güvenli, besleyici ve lezzetli gıda çıktılarını en üst düzeye çıkaran yeni ve oyunun kurallarını değiştiren gıda teknolojileri yaratmak için takımlara ödüllerin verildiği uluslararası bir yarışmadır.
UC Riverside Bitki Dönüşüm Araştırma Merkezi direktörü ortak yazar Martha Orozco-Cárdenas; “Bir gün karanlıkta ve Mars'ta domates bitkileri yetiştiren dev gemileri hayal edin - bu gelecekteki Marslılar için ne kadar kolay olurdu?” diyor.