Energie simpelweg uit de lucht ‘zuigen’ zou in de toekomst mogelijk kunnen zijn, zeggen Australische wetenschappers. Ze ontdekten een enzym dat elektriciteit opwekt met waterstof uit de atmosfeer.
Elektriciteit uit de lucht halen, lijkt een droom. Onmogelijk is het echter niet. In de natuur gebeurt het al. Sommige bacteriën blijken namelijk in staat te zijn lucht als ‘voedingsbron’ te gebruiken en zetten waterstof, dat in zeer geringe hoeveelheden als molecuul voorkomt in de atmosfeer, om in energie. Dit trucje passen ze met name toe op plekken waar weinig andere voedingsstoffen voorhanden zijn, zoals op grote diepte in zee, op de Zuidpool of in vulkaankraters. Hoe die bacteriën het precies voor elkaar krijgen, was lang niet bekend.
Australische wetenschappers hebben nu een bepaalde bacteriesoort, de in de bodem levende Mycobacterium smegmatis, aan een nader onderzoek onderworpen. Ze ontdekten dat het organisme diverse eiwitten produceert die elektriciteit kunnen opwekken uit waterstof.
‘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.
Het team wist één van deze eiwitten, een enzym genaamd Huc, uit de bacterie te isoleren. Met geavanceerde microscopen onthulden ze de structuur en werking ervan. De resultaten zijn vorige week gepubliceerd in het wetenschappelijk tijdschrift Nature.
Efficiënte energiemaker
Het enzym blijkt enkele verrassende eigenschappen te bezitten. Zo is het erg efficiënt: ook bij extreem kleine concentraties waterstof in de lucht – zo klein dat de onderzoekers ze zelfs met hun gevoeligste detectoren niet meer konden meten – wist Huc nog steeds waterstofdeeltjes te ‘vangen’ en er een stroompje mee te produceren.
Daarnaast werkt het enzym ook buiten de bacterie naar behoren. Het is daar bovendien ook nog erg stabiel: Huc blijft stug elektriciteit opwekken bij temperaturen tussen 80 en -80 graden Celsius en kan lang worden bewaard.
‘Over het geheel gezien is Huc veel stabieler en werkt het veel efficiënter dan we gehoopt hadden’, zegt onderzoeksleider Rhys Grinter van de Monash-universiteit in Melbourne. ‘Dat is één van de dingen die dit verhaal zo spannend maken.’
Rooskleurige toekomst
Dankzij de gunstige eigenschappen voorzien de wetenschappers voor het enzym een rooskleurige toekomst als belangrijk bestanddeel van een ‘natuurlijke batterij’. Een laag Huc zou apparaten kunnen voorzien van elektriciteit die letterlijk uit de lucht komt vallen.
Daarmee kan het een chemische batterij, een zonnepaneel of een manier om met fossiele brandstof stroom op te wekken overbodig maken. ‘Dan kun je mogelijk apparaatjes aandrijven die een kleine, maar continue hoeveelheid elektrische stroom nodig hebben, zoals een horloge of een simpel computercircuit,’ stelt Grinter.
Althans, als er alleen beschikking is over ‘normale’ lucht uit de atmosfeer. ‘Wanneer het eiwit geconcentreerd waterstof krijgt aangevoerd, produceert het meer elektriciteit. In dat geval zien wij mogelijkheden om het op te nemen in brandstofcellen voor grotere apparaten, zoals een smartphone of zelfs een elektrische auto.’
Wishful thinking
Daarvoor moeten wel nog de nodige stappen worden gezet, merkt Grinter op. ‘Op dit moment kunnen we slechts een aantal milligram Huc produceren – wat voor experimenten voldoende is. Voor toepassingen in elektronica willen we de productie opschalen naar grammen en uiteindelijk kilo’s. Dat proberen we onder meer door de bacteriën zo aan te passen dat ze meer Huc produceren.’
Gaat het enzym daarmee een grote rol spelen in de apparaten van de toekomst? Microbioloog Nico Claassens van Wageningen University and Research, niet betrokken bij de studie, is sceptisch. ‘De ideeën van de onderzoekers klinken een beetje als wishful thinking. Met de totale hoeveelheid waterstof die in een normale kamer in de lucht zit, kan Huc een ledlamp grofweg een halve minuut laten branden. Het lijkt mij vooral nuttig voor kleine apparaten op plekken waar weinig brandstof voorhanden is, zoals op bergtoppen of in poolgebieden. Net zoals ook bacteriën het alleen op extreme plekken gebruiken.’
Toepassingen in brandstofcellen, met toevoer van geconcentreerde waterstof, ziet hij ook niet direct van de grond komen. ‘Huc zal hierin niet snel de plek innemen van de metalen die nu voor de omzetting van waterstof naar elektriciteit zorgen. Hoewel die metalen duur en zeldzaam zijn, werken ze waarschijnlijk veel sneller dan de enzymen.’
Fascinerend
Desondanks is Claassens enthousiast over het onderzoeksresultaat. ‘Het is uniek dat de onderzoekers de werking van dit enzym zo nauwkeurig onthullen. Fascinerend dat we nu begrijpen hoe deze bacteriën kunnen overleven met lucht als energiebron.’
Daarnaast meent hij dat Huc op een andere manier nuttig kan zijn. ‘In de toekomst zal waterstof een belangrijke brandstof worden. Omdat Huc hier zo ontzettend gevoelig voor is, kan het uitstekend werken als sensor voor weglekkend waterstof. Daarmee voorkom je dat de hoeveelheid waterstof in de atmosfeer toeneemt – het gas draagt in zeer kleine mate bij aan het broeikaseffect – en ga je bovenal onnodig brandstofverlies tegen’, aldus Claassens.
