Uma estratégia inédita para a produção de hidrogênio verde, desenvolvida graças a uma parceria de pesquisa firmada entre a Unicamp e a Universidade de Kyushu, no Japão, pode alavancar substancialmente a sustentabilidade do setor energético. Combinando biotecnologia e ciência de materiais, o estudo, publicado na revista científica International Journal of Hydrogen Energy, revela a possibilidade de multiplicar em até 13 vezes a geração de hidrogênio verde em sistemas movidos a energia solar quando se utiliza a microalga Chlamydomonas reinhardtii no processo.

Considerado um combustível limpo, por não gerar gás carbônico (CO2) ao ser produzido ou consumido, o hidrogênio verde tem grande importância para a transição energética global e a descarbonização do planeta. Contudo, sua produção ainda é mais cara do que a de combustíveis fósseis. O uso da Chlamydomonas reinhardtii não apenas potencializa a produção, mas também a barateia, já que a microalga substitui reagentes químicos tradicionais, mais caros e poluentes.

Segundo os pesquisadores, a técnica funciona com “emissão negativa de CO2” e colabora para a mitigação do aquecimento global. Isso porque as algas capturam gás carbônico da atmosfera e o utilizam como fonte de carbono para sintetizar biomoléculas e formar biomassa – etapa inerente ao seu crescimento e essencial para sua aplicação biotecnológica no processo de geração de energia.

A partir da biomassa, o sistema também produziu gases de interesse industrial, como metano (CH4) e monóxido de carbono (CO), em condições controladas, o que abre a possibilidade de seu direcionamento para outros processos produtivos, em vez de sua liberação direta na atmosfera.

No Brasil, a frente biotecnológica da pesquisa foi liderada pelo professor Augusto Ducati Luchessi, coordenador do Laboratório de Biotecnologia BraPhyto, da Faculdade de Ciências Aplicadas (FCA) da Unicamp, em Limeira. A expertise do grupo em microalgas se consolidou a partir de 2018, após um período de pesquisa de Luchessi na Universidade da Califórnia em San Diego (EUA). Lá, o professor aprimorou técnicas de transgenia voltadas para o desenvolvimento de microalgas como “biofábricas” para a produção de proteínas de interesse farmacêutico e nutricional.

Essa base sólida em biologia celular e molecular foi o que permitiu ao laboratório fornecer a biomassa de Chlamydomonas reinhardtii em condições controladas e reprodutíveis, elemento essencial para o sucesso do novo sistema de produção de hidrogênio verde. “Cada microalga, embora microscópica e unicelular, é biologicamente muito sofisticada. Ela concentra uma diversidade impressionante de moléculas e processos metabólicos, o que lhe dá grande versatilidade e ajuda a explicar seu enorme potencial biotecnológico”, comenta Luchessi.

O grupo japonês, liderado por Kaveh Edalati, teve papel decisivo na pesquisa para o desenvolvimento de fotocatalisadores de alta performance à base de brookita, uma das formas cristalinas do dióxido de titânio. Nesse sistema, o material atua sob luz solar, em contato com a água e a biomassa da microalga, favorecendo a geração do hidrogênio.

Edalati é pesquisador de destaque no Instituto Internacional de Pesquisa Energética Neutra em Carbono (I2cner, na sigla em inglês), um centro de excelência global que reúne especialistas do mundo todo para buscar formas de acelerar a transição para energias limpas e assim viabilizar uma sociedade com saldo zero de emissão de carbono. Referência mundial em ciência dos materiais, ele utiliza técnicas de deformação plástica para criar nanoestruturas metálicas de alta performance, essenciais para o desenvolvimento de novas tecnologias de produção e armazenamento de hidrogênio. Seu trabalho na fronteira da tecnologia tem tido importância fundamental para o desenvolvimento de soluções sustentáveis, como novos catalisadores para a produção de hidrogênio verde e materiais avançados para o armazenamento de energia limpa.

Para os pesquisadores, a colaboração entre a Unicamp e a Universidade de Kyushu reforça o potencial de uma “biorrefinaria solar”, ao reunir a vocação brasileira para o cultivo de microalgas com a reconhecida expertise japonesa em materiais avançados e tecnologias para geração do gás hidrogênio. “O Brasil possui condições climáticas ideais para o cultivo de microalgas e reúne atributos que podem colocá-lo em posição de destaque no cenário do hidrogênio verde. Esse estudo apresenta uma rota tecnológica que combina a despoluição com a produção de energia, atendendo diretamente às metas globais de sustentabilidade”, afirma Luchessi.

A biomassa de microalgas foi utilizada no estudo como agente de sacrifício – nome dado a substâncias que são adicionadas a uma reação química justamente para serem consumidas, o que torna o processo de produção de energia mais eficiente. Neste caso, foram substituídos produtos químicos caros e poluentes.

Por se tratar de uma iniciativa pioneira de utilizar a biomassa como agente de sacrifício, um dos desafios foi estabelecer as condições ideais da reação com pouco suporte de literatura prévia. Outro obstáculo técnico significativo foi a análise da fase líquida do processo: enquanto a medição dos gases gerados (como hidrogênio e metano) foi direta, a identificação dos intermediários orgânicos que restam na solução após a degradação das algas foi extremamente complexa. Apesar dessa dificuldade analítica, os cientistas veem uma oportunidade para o futuro da “biorrefinaria solar”, com o objetivo de converter esses resíduos líquidos em biocombustíveis de alto valor agregado. A versatilidade das microalgas é ressaltada por Luchessi: “Elas podem ser, ao mesmo tempo, uma ferramenta para limpar o planeta, uma fábrica de remédios e a chave para a energia do futuro”.

Para que a tecnologia possa deixar os laboratórios e chegar ao mercado, os responsáveis apontam diversos desafios a serem superados. Segundo Edalati, o primeiro passo é elevar a eficiência catalítica do sistema, que, apesar de promissora, precisa de melhorias para atender às demandas da indústria. Outro elemento central para a viabilidade econômica é a redução de custos no cultivo da biomassa. O objetivo é utilizar linhagens de microalgas que prosperem em águas residuais ou resíduos industriais, eliminando a necessidade de meios de cultura sintéticos e caros, tornando o processo mais circular.

“Buscaremos desenvolver métodos que operem sob condições de alcalinidade mais brandas, suavizando o ambiente químico da reação. O escalonamento da tecnologia também exigirá estudos detalhados sobre fotobiorreatores de grande porte e uma avaliação completa do ciclo de vida, para garantir que a promessa de energia limpa e sustentável seja mantida em todas as etapas da produção”, esclarece o pesquisador da universidade japonesa.