Батарейка з листа

29 Августа 2014
Група дослідників з Рурського університету в Бохумі запропонувала новий варіант сонячної батареї, основний елемент якої - білковий комплекс, який займається фотосинтезом у рослин.

Сонячне випромінювання - дуже перспективне джерело енергії на Землі, принаймні, в деяких її районах. В даний час використовуються перетворювачі електроенергії з ККД від 9 до 24%, і ціна одного Квт * год. сонячної енергії становить приблизно 0,25 долара США (для порівняння - ціна одного Квт / год для автора статті становить приблизно 0,1 долара США). Але постійно ведуться дослідження, спрямовані на зростання ККД і зниження ціни.

Звичайна сьогоднішня сонячна батарея - це напівпровідниковий прилад. Принцип його дії заснований на процесі, пов'язаних з фотоефектом - так званому фотовольтаическим ефектом. Електрони в атомах знаходяться на різних енергетичних рівнях, кожному з яких відповідає строго певна енергія. Електрон може поглинути або излучить квант світла, перейшовши на більш високий або більш низький енергетичний рівень. В напівпровідниках електрони зовнішніх енергетичних рівнях прив'язані до атому сильніше, ніж в провідниках і рідко можуть самостійно відправитися в подорож. Але в певних напівпровідниках квантів світла цілком достатньо, щоб електрон, поглинувши їх, покинув атом. Сучасні напівпровідники - це, як правило, кристали з домішками. За рахунок домішок можна отримувати провідники p-типу (з «дірками» як основними носіями заряду) і n-типу (основні носії заряду - електрони).

Якщо в кристалічній решітці четирехвалентного (чотири електрони на зовнішньому енергетичному рівні з низькою енергією відриву) кремнію одне з місць у вузлі решітки займе тривалентний алюміній (три електрони на зовнішньому енергетичному рівні з низькою енергією відриву), то при загальній електричної нейтральності такої конструкції виникне одне місце, на якому електрон міг би бути - дірка. Так виходить напівпровідник p-типу.

Якщо розташувати напівпровідники p-типу і n-типу так, щоб у них була спільна межа, з одного боку кордону буде висока концентрація дірок, а з іншого - електронів. Їх хаотичний рух буде приводити до того, що вони будуть випадково потрапляти на чужу територію, а на межі поділу матеріалів буде утворюватися різниця потенціалів. Вплив світла призводить до того, що велика кількість електронів починає покидати атом і потрапляти на бік p-напівпровідника. Це ще більше збільшує різницю потенціалів. Якщо підключити до такого пристрою зовнішнє напруга - через нього потече струм.
На питання «як перетворити енергію сонячного світла в енергію, зручну для використання, наприклад, електричну» логічно шукати відповідь у природи. У живій природі майже всі, за дуже рідкісними винятками, або отримують енергію і поживні речовини за допомогою енергії сонячного світла, або їдять тих, хто отримує енергію і поживні речовини за допомогою енергії сонячного світла, або їдять тих, хто їсть тих, хто отримує. Хоча еволюція і не ходить прямим шляхом до найефективнішого результату, не могли виробитися досить ефективні механізми фіксації сонячної енергії. Іноді навіть гетеротрофи не проти пофотосинтезировать. Черевоногих молюск Elysia chlorotica асимілює хлоропласти певного типу водоростей, якими харчується. Після цього хлоропласти можуть жити кілька місяців у тілі молюска і фотосинтезировать. В цей час молюскові іншої їжі не треба. Взагалі-то хлоропласти, хоча й історично є незалежними організмами, перейшли до симбіозу з эукариотческими клітинами так давно, що не можуть вже самі синтезувати всі білки, необхідні для своєї роботи, оскільки відповідні гени перекочували з генома хлоропластів в ядерний геном. За них це роблять клітини рослин. Так от, Elysia chlorotica якимось чином зуміла інкорпорувати деякі потрібні для фотосинтезу гени у свій геном.

В загальних рисах електрохімія фотосинтезу зводиться до того, що квант світла збуджує електрон, його передає по ланцюжку ряд білків, і все закінчується синтезом кількох молекул АТФ, молекул органічних сполук з води і вуглекислого газу і виділенням кисню. А що якщо витратити відокремився збуджений електрон не на всі ці дуже потрібні живим істотам процеси, а на генерацію електричного струму? Синтезувати багато білків рослинного або бактеріальної фотосистеми I або фотосистеми II, иммобилизовать їх на якомусь носії, помістити в яке-небудь місце, де на них буде світити сонце, і підключити навантаження?

Саме таку задачу з білками фотосистеми I ціанобактерій вирішували вчені з університету в Бохумі. Питання в тому, як їх иммобилизовать. У клітці білки цього типу існують в мембрані - ліпідному бислое, з певним pH всередині мембрани і зовні. Потрібна просторова структура і функціональність білка часто тісно пов'язані з гидрофильностью і гідрофобністю окремих його частин і частин оточуючих його білків. Точне дотримання цих умов необхідно для того, щоб білки не втрачали своєї конформації і функціонували, як задумано природою. З цією метою автори роботи створили електропровідний гідрогель, гідрофільні/гідрофобні властивості якого легко змінювати, змінюючи pH. В результаті вийшло пристрій, потужність перенесення електронів в якому майже на порядок перевищувала потужність в живій аркуші.

Зараз все це звучить досить екзотично, а напівпровідникові батареї дешевше і непогано справляються. Але, можливо, що процес отримання рекомбінантних білків подешевшає, і подібні елементи живлення знайдуть своє застосування в мініатюрних медичних приладах, наприклад, сенсорах в контактних лінзах. Якщо мріяти далі, можна замислитися про створення біоінженерних листя цілком - вони будуть виділяти кисень і запасти поживні речовини в 10 разів ефективніше.


Поделиться ссылкой:
Наши региональные партнеры