Koolstofmoleculen in driehoekvorm zitten boordevol energie, maar zijn juist daarom moeilijk te maken. Onderzoekers zetten bacteriën aan het werk, die het toch lukte. Dat zou kunnen leiden tot een hernieuwbare brandstof voor de luchtvaart.
Bacteriën kunnen een lastig te synthetiseren driehoekig molecuul maken dat genoeg energie bevat om als vliegtuigbrandstof te dienen. Dat melden microbioloog Pablo Cruz-Morales van de Technische Universiteit Denemarken bij Kopenhagen en collega’s in het tijdschrift Joule.
Cyclopropanen, koolstofmoleculen in driehoekvorm, horen bij de meest energierijke cyclische moleculen die er bestaan. De vier bindingen van een koolstofatoom staan normaal gesproken in een hoek van 109,5 graden. Maar in een driehoekig molecuul is dat 60 graden, dus staan de bindingen onder spanning.
‘Ik probeer robots te ontwikkelen die ook echt een nieuwe stap maken’
Hoe werkt vliegen? Dat lijkt een simpele vraag, maar voor luchtvaarttechnicus en bioloog David Lentink is het een levenslange zoektocht.
Elastiek
Vergelijk het met elastiek dat zo ver mogelijk is uitgerekt. Als het losgelaten wordt, springt het met kracht terug naar de oorspronkelijke, niet-gespannen situatie. De in het molecuul opgeslagen energie komt vrij als de bindingen verbroken worden, bijvoorbeeld bij verbranding. Maar die driehoek is ook de reden dat de productie zo moeilijk is. Want hoe duw je de atomen van een molecuul in zo’n gespannen houding?
Zoals zo vaak is de natuur vaardiger dan de chemicus, dus keken de onderzoekers de kunst af bij bacteriën van de soort Streptomyces roseoverticillatus, die in de grond leven. Die maken uit suiker de stof jawsamycine, een molecuul waarin een aantal cyclopropaanringen zitten. Het is genoemd naar de filmklassieker Jaws, vanwege de driehoeken die aan haaientanden doen denken. De bacteriën gebruiken een eiwit dat de driehoekige delen in de moleculen toevoegt.
Bacteriën aan het werk
De onderzoekers pasten bacteriën van een andere soort genetisch aan zodat ze dit eiwit aanmaken, en vele varianten ervan. Die bacteriën produceerden vervolgens een scala aan nieuwe moleculen vol driehoekige elementen. De onderzoekers kozen de stof die het meest geschikt leek voor luchtvaart, en maakten weer slimme genetische aanpassingen waardoor de bacteriën nog een 22 keer productiever werden. Uit berekeningen blijkt dat de uiteindelijke brandstof genoeg energie bevat om kerosine te vervangen.
De luchtvaart vliegt op dit moment vrijwel alleen op kerosine. Die fossiele brandstof is een mengsel van stoffen die ook vol zitten met cyclische structuren, waaronder ook driehoekige. Daarin zit altijd veel energie. Maar bij de verbranding van kerosine komen veel broeikasgassen vrij, terwijl de luchtvaart in 2050 klimaatneutraal moet zijn. Daarvoor zijn alternatieve hernieuwbare brandstoffen een mogelijke oplossing.
Kerosine
‘Het is interessant en knap dat de onderzoekers verbindingen hebben weten te maken met een hogere energiedichtheid dan kerosine’, zegt Adrie Straathof. Hij onderzoekt de productie van hernieuwbare brandstoffen en chemicaliën met micro-organismen bij de TU Delft.
Maar er is een belangrijke kanttekening te maken, vertelt hij. ‘De productiemethode heeft nog enorme verbetering nodig. Bovendien heeft de luchtvaart geen hogere energiedichtheid nodig, maar een véél grotere hoeveelheid hernieuwbare kerosine-vervangers dan nu beschikbaar. De grootste uitdaging voor de luchtvaart is snel verantwoordelijkheid te nemen voor het op zeer grote schaal produceren van een kerosinevervanger.’
