Onze kleinkinderen laden hun versie van de iPad straks niet meer op met energie uit fossiele brandstoffen. Die is dan echt wel op. Het alternatief? Zonne-energie. Maar de zonnecellen die we nu gebruiken zijn heel erg inefficënt. ‘Slechts twintig procent van het licht wordt uiteindelijk omgezet in elekriciteit’, zegt theoretisch natuurkundige Erik Bloemsma. Voor de duidelijkheid: om één huishouden van stroom te voorzien heb je een zonnecel nodig die de helft van de Grote Markt beslaat.
Dat moet beter. En het kan ook beter. Want in de natuur ontwikkelden zich allang organismen die wel superefficiënt met energie omgaan. ‘Er is een soort groene bacterie, die voorkomt op grote dieptes in meren en zeeën. Deze beestjes gebruiken fotosynthese om aan voedsel te komen: het licht van de zon drijft chemische reacties aan, die weer zorgen voor voedingsstoffen’, legt Bloemsma uit.
Lastig alleen dat er in dat hele diepe water waar de bacterie leeft, zo weinig licht is. Dat lost het diertje op door superefficënt om te gaan met het aanwezig licht. De antennes van deze bacterie zorgen dat meer dan 95 procent van het geabsorbeerde licht de plek bereikt waar de chemische reacties plaatsvinden.
Antennes
Logisch dat mensen willen weten hoe dat precies in zijn werk gaat. En dus zijn de bacterie-antennes nagemaakt in een laboratorium. ‘Het zijn een soort kleine buisjes opgebouwd uit duizenden moleculen. Als je heel veel moleculen oplost in een waterachtige vloeistof, dan krijg je clusters. Door een specifiek molecuul te kiezen krijg je dubbelwandige cilindervormige structuren. En die lijken weer op de antennes van de groene bacterie.’
Die kunstmatige antennes zien er met het blote oog allemaal hetzelfde uit. Maar op moleculair niveau is het anders. ‘We zien moleculen als blokjes. Elk blokje kan een verschillende oriëntatie hebben ten opzichte van zijn buurman. En die kun je achterhalen door het geabsorbeerde licht te bestuderen.’
Voor zijn onderzoek, waarop hij vorige week promoveerde, maakte Bloemsma om te beginnen een realistisch theoretisch model van de moleculen. ‘We bedachten een configuratie van moleculen, berekenden wat voor licht deze zou absorberen en vergeleken dat met experimentele data uit Amerika en Duitsland. Net zo lang totdat theorie en data overeenkwamen.’
Voetbalstadion
Vervolgens kon hij kijken wat er nu eigenlijk gebeurt als zo’n antenne eerst licht absorbeert en daarna transporteert. Het lijkt eigenlijk behoorlijk veel op een wave in een voetbalstadion, grinnikt hij.
‘Licht bestaat eigenlijk uit energiepakketjes. Als zo’n pakketje op een molecuul valt, absorbeert het molecuul de energie. Hij is dan in aangeslagen toestand’, vertelt Bloemsma. ‘Maar in zo’n antenne heeft het aangeslagen molecuul een sterke wisselwerking met de anderen, waardoor de energie van de ene naar de andere kan springen. Als een wave dus, die makkelijk rondgaat als iedereen meedoet.’
Bloemsma wilde weten hoe de verschillende moleculen precies op elkaar inwerken. En hoe erg het is als een molecuul niet netjes geordend in het rijtje ligt. ‘De vloeistof waarin de antennes zitten, is van plek tot plek net even anders. Dus elke molecuul ervaart een nét iets andere omgeving. Hierdoor verschilt de hoeveelheid energie die nodig is om een molecuul in aangeslagen toestand te krijgen’, legt Bloemsma uit.
Wanorde maakt het systeem minder efficiënt, dat bleek al uit studies naar eendimensionale antennes. ‘Je kunt je voorstellen dat als je de wave doet met een rijtje mensen en in het midden letten twee mensen niet op, dat de wave nooit aan het eind van de rij komt’.
Opletten
Maar Bloemsma ontdekte dat het in cilindervormige antennes anders werkt. ‘Als in een stadion een paar mensen bezig zijn met hun bier en niet opletten, dan kan de wave boven- en onderlangs. Hier is het principe hetzelfde: dankzij de tweedimensionale structuur van de buisjes kunnen onregelmatigheden makkelijk ontweken worden.’ En komt de energie alsnog makkelijk in de kern van de bacterie terecht.
De natuur had miljarden jaren de tijd om dit proces te optimaliseren. De wetenschap begint nog maar net. ‘We willen de processen begrijpen. En dan kunnen we op basis daarvan compleet nieuwe systemen bouwen.’
En een oplossing vinden voor het energieprobleem dus. Maar nu nog niet, beseft Bloemsma. ‘Praktische toepassingen van dit soort onderzoek is voorlopig nog verre toekomstmuziek.’