Фотосинтез в солнечных батареях

  • Поделиться в facebook
  • Поделиться в twitter
  • Поделиться в google +

Растения обладают совершенным механизмом усваивания света. В процессе функционирования растительного фотосинтеза специальные молекулы вырабатывают энергию, которая используется для преобразования питательных веществ в биомассу. Изучая это явление был найден способ заставить белки напрямую отдавать «солнечную» энергию в электросеть.

Принцип действия фотосинтетических белков

В лаборатории электроники и органической оптики технологического института Массачусетса (MIT) были созданы необычные солнечные батареи. Команда инженеров и биологов, которыми руководит профессор Марк Балдо, решили, что растительные белки вполне способны вырабатывать энергию, которой хватит, например, для зарядки аккумуляторов ноутбука.


В качества натурального преобразователя света в электричество ученые используют фотосинтетические бели, которые были извлечены из бактерий Rhodobacter sphaeroides и хлоропластов листьев шпината. Таким образом были набраны пара миллиардов микроскопических органических помощников, которым нужны были условия для работы. Дело в том, что на твердой сухой поверхности естественные белки долго не сохраняются.

Экспериментаторы решили «обмануть» органику, убедив ее в том, что она все еще находится внутри организма. Для этого они применили искусственный материал, который был создан молекулярным биологом из MIT Шугуан Чжан. Этот материал представляет собой пептиды, созданные искусственным путем, они способны самособираться в структуры, которые очень похожи на клеточные мембраны. Вокруг фотосинтетических белков сформировали щит защитные молекулы, благодаря чему они могут существовать какое-то время в солнечной батарее.

Сама батарея была собрана по ходу лучей света следующим образом: стекло, очень тонкий слой оксида индия, который выступает в качестве прозрачного электрода, фотосинтетические белки в пептидной оболочке, затем идет органический полупроводник и серебряный электрод. Белки поглощают фотоны и переправляют электроны в серебряный электрод через слой полупроводника. Несмотря на всевозможные ухищрения, белки могут давать ток только 21 день.

Кембриджский вариант органической батареи

Аналогичными исследованиями заняты ученые из Кембриджского Университета, которые обнаружили средство манипулирования электронами в органических солнечных элементах, которые могли бы улучшить свои показатели до уровня, сопоставимого с уровнем кремниевой основы клеток.


Органические солнечные элементы представляют собой новый класс клеток, которые имитируют процесс фотосинтеза растений. Но у них пока что не хватает эффективности, чтобы конкурировать с более дорогостоящими кремниевыми элементами.

На данный момент, солнечные батареи работают на 12 % от своей эффективности, превращая свет в электричество, по сравнению с возможностями 20-25% от фотосинтеза. Органические солнечные батареи в основном работают с углеродами молекул, вместо неорганических полупроводников, которые используются в кремниевых ячейках. Эти органические клетки могут быть очень тонкими, легкими и гибким.

Не стоит пытаться воспроизвести всю схему, работающую в растениях, целиком: живые системы слишком сложны. К тому же при фотосинтезе происходит обмен не только энергией, но и веществом. Но если наша цель — просто получить электричество, то ничто не мешает позаимствовать лишь необходимые для решения поставленной задачи элементы фотосинтеза.

Исследователи из Кавендишской лаборатории Кембриджа разработали методы на лазерной основе, которые позволяют отслеживать движение и взаимодействие электронов в клетках. К их удивлению, ученые обнаружили, что разница в производительности между материалами возможно связана с квантовой механикой.

Фотосинтез в растениях и большинстве бактерий имеет много общего с технологией, по которой работают солнечные батареи: зеленый пигмент улавливает энергию света и передает ее электронам, которые при прохождении длинной цепочки химических реакций образуют молекулы с весьма энергоемкими химическими связями, что позволяет накапливать и передавать большое количество энергии. Сейчас исследователи предполагают, что относительно простая биологическая техника, собирающая солнечный свет, в принципе может преобразовывать солнечные лучи в электричество очень эффективно.

«Это открытие очень интересно, теперь мы можем использовать фотосинтез для улучшения солнечных батарей. Очень скоро мы сможем увидеть новые материалы и солнечные батареи», говорит, научный сотрудник в лаборатории доктор Акшай Рао. Правда, предложенная ими модель фотосинтетических солнечных батарей пока существует лишь в теории. Исследователи добавляют, что они еще не построили эту систему в реальной жизни, так как моделирование реальных систем — более сложный процесс.

Изучение фотосинтеза для повышения эффективности солнечных батарей в университете Джорджии

Исследователи из Государственного университета Джорджии так же пытаются использовать фотосинтез для повышения эффективности солнечных батарей.

Во время фотосинтеза растения и другие организмы, такие как водоросли и цианобактерии, превращают солнечную энергию в химическую, которая впоследствии используется в качестве топлива для дальнейшей жизнедеятельности.

В растениях, под воздействием солнечного света, электрон быстро перемещаться по клеточной мембране и никогда не возвращается в исходную точку. В искусственных солнечных элементах электроны часто возвращаются, теряя энергию. Именно поэтому поглощение солнечной энергии в растениях настолько эффективно.

По словам профессора кафедры физики и астрономии университета Джорджии Гари Гастингса, пристальное изучение процессов, происходящих при фотосинтезе, позволит эффективнее проектировать солнечные батареи.

«Растения превращают солнечную энергию сверхэффективно, значительно более эффективно, чем любой искусственный солнечный элемент. В процессе фотосинтеза свет проникает через электронную мембрану, и не возвращается. Большая проблема с искусственными системами заключается в том, что электрон все время возвращается. Это настоящая загадка, почему растения настолько эффективны при преобразовании солнечной энергии», — говорит он.

Ученые приступили к первому этапу исследования. По словам Гастингса, это большое упущение, что никто не занялся этим раньше.

- * -

Возможно, вас интересует, зачем ученым возиться с такой тонкой работой, если есть фотоэлектрические преобразователи энергии солнца на полупроводниках? Дело в том, что солнечные батареи на основе кремния, если также учитывать их производство, для окружающей среды вовсе не безвредны. А вот белковые панели, напротив, ей дружественны.

Их КПД составляет 12%, и его можно поднять до 20% и более, что в сочетании с небольшой стоимостью изготовления – серьезная заявка, чтобы вытеснить солнечные панели на полупроводниках. Можно придумать для них технологию самовосстановления, и если решить эту проблему, то по сроку службы белковые панели превзойдут полупроводниковые, которые на самовосстановление априори не способны.

А что вы об этом думаете?

  1. Оставьте свой комментарий, Ваше мнение для нас очень важно.

Ваш комментарий:

Поля обозначенные как * требуются обязательно. Перед постингом всегда делайте просмотр своего комментария.


(не публикуется)