Kvantemekanik afslører hemmelighederne bag fotosyntese

Forskere har længe drømt om at kunne konvertere solenergi effektivt til lagret kemisk energi. Naturen har allerede fundet den optimale løsning – fotosyntesen – men det viser sig nu, at kvantemekanik spiller en nøglerolle i denne biologiske proces.

En ny undersøgelse viser, at de første trin i energiomdannelsen i grønne planter er afhængige af kvantemekaniske principper. Det betyder, at det ikke kun er fysikere, der arbejder med kvantemekanik – den er også en uundværlig del af biologien.

Hvordan planter bruger kvantemekanik

Fotosyntetiske organismer, såsom grønne planter, udnytter kvantemekaniske fænomener til at høste solenergi, forklarer professor Jürgen Hauer. Når lys absorberes i et blad, opstår der en elektronisk excitation i klorofyl-molekylerne. Denne excitation fordeles over flere energitilstande – en tilstand kendt som en kvantesuperposition.

“Det er det første trin i en næsten tabsfri energiomsætning i og mellem molekylerne, hvilket muliggør den effektive videreførsel af solenergi,” forklarer Hauer. Med andre ord gør kvantemekanikken det muligt for planter at udnytte sollys med en effektivitet, som klassisk fysik ikke kan forklare alene.

Potentialet for kunstig fotosyntese

Den nye viden om kvantemekanikkens rolle i fotosyntese kan få stor betydning for fremtidens energiproduktion. Hvis forskerne kan overføre disse processer til kunstige systemer, kan det føre til en revolution inden for solenergiteknologi.

Studiets førsteforfatter, Erika Keil, påpeger, at en dybere forståelse af klorofyl kan være afgørende for at skabe kunstige fotosynteseenheder. Disse enheder vil potentielt kunne udnytte solenergi langt mere effektivt end nutidens solceller.

Hvordan kvantemekanik påvirker energitransport

Forskerholdet har undersøgt to specifikke områder i det elektromagnetiske spektrum, hvor klorofyl absorberer lys:

Q-regionen (gul til rød spektralområde)
B-regionen (blå til grøn spektralområde)

Q-regionen består af to kvantemekanisk koblede elektroniske tilstande. Denne kobling muliggør næsten tabsfri energiomsætning i molekylerne, hvorefter systemet afkøles ved at afgive energi som varme. Dette viser, hvordan kvantemekaniske effekter kan have en afgørende indflydelse på biologisk vigtige processer.

Hvad betyder det for Danmark?

For danskerne kan denne forskning have vidtrækkende konsekvenser. Danmark har allerede en stærk satsning på grøn energi, men med en dybere forståelse af fotosyntesen kan fremtidens solenergiløsninger blive endnu mere effektive. Kunstig fotosyntese kan muligvis give mere bæredygtige energikilder, der kan reducere afhængigheden af fossile brændstoffer.

Som en af verdens førende nationer inden for vedvarende energi, kan Danmark drage fordel af denne forskning ved at udvikle nye former for solcelleteknologi inspireret af naturens egne løsninger.

Konklusion

Denne nye forståelse af fotosyntesens mekanismer kan revolutionere måden, hvorpå solenergi udnyttes. Ved at efterligne naturens egen metode for energiomsætning kan forskere skabe kunstige fotosynteseenheder med en hidtil uset effektivitet.

Hvis denne teknologi realiseres, kan det ændre den måde, vi tænker på grøn energi – og Danmark har gode muligheder for at blive en central spiller i denne udvikling.

Kilde: Technical University of Munich (TUM)