Фотосинтез для солнечных батарей

Cолнечная энергия в процессе фотосинтеза

Дата публикации: 21 сентября 2018

Солнечная энергия – это достаточно популярный в современном мире ресурс, который приноровились использовать многие люди, как в промышленных, так и в бытовых целях. Но для нас более привычно слышать о солнечных батареях, как об устройствах, имеющих в своей конструкции фотоэлементы, преобразующие солнечную энергию в электричество. В то время как солнечные батареи уже широко распространены в мире, идет разработка технологии использования солнечной энергии в процессе фотосинтеза. Ученые не прекращают попыток развить технологию искусственного фотосинтеза до уровня максимальной эффективности, которая присуща растениям.

Как можно использовать солнечную энергию в фотосинтезе?

С каждым днем становится известно все больше о естественных процессах и фотосинтез – не исключение. Ученые выяснили, что в процессе фотосинтеза энергия солнечного света играет роль механизма, запускающего ряд химических реакций, которые помогают растениям высвободить энергию, необходимую им для жизнедеятельности.

По словам ученых из Джорджии, самая большая проблема в создании искусственных механизмов, имитирующих фотосинтез, заключается в том, что в естественном процессе фотосинтеза солнечный свет как источник энергии, проходя через мембрану, не возвращается. Но во всех механизмах, созданных человеком, он возвращается, и пока не удалось понять, почему. Из-за этого, механизмы искусственного фотосинтеза не так эффективны, как у растений, из-за чего их использование пока невозможно.

Что сделано для достижения успеха в области воссоздания процесса фотосинтеза искусственно?

• Американским ученым удалось создать искусственно бактерию, которая в плане эффективности переработки солнечной энергии в 40 раз превосходит большую часть растений. Такого результата удалось добиться благодаря умению искусственной бактерии создавать нанокристаллические образования, которые схожи по принципу работы с солнечными панелями.
• Сентябрь 2017 года был ознаменован открытием еще одной функции искусственного фотосинтеза: перерабатывать углерод в другие виды биотоплива. Так, сотрудники лаборатории в Беркли описали процесс, когда углерод был преобразован в этанол и этилен. Первый можно использовать в качестве топлива, а второй нужен в производстве полиэтиленовых упаковок.
• Не оставляют без внимания так же и водород как экологически безвредное топливо. Таким образом, недавно был представлен проект, где искусственно созданный лист при помощи энергии Солнца воссоздал водород. А при условии наличия в воздухе значительной доли углекислого газа, КПД листа вырастал.

О самом процессе фотосинтеза

Использование солнечной энергии в фотосинтезе нужно для химической реакции, в которой неорганические вещества преобразуются в органические. Таким образом, для реакции преобразования нужен углекислый газ и вода. Первый поступает из воздуха, а вторая – из почвы. Под воздействием энергии фотонов эти вещества преобразуются в глюкозу (или другую органику) и кислород.

То, что в процессе фотосинтеза образуется не только кислород, но и органическое вещество очень важно, поскольку ни один другой организм не может сделать из неорганики органику. Фотосинтез, можно сказать, обеспечивает нас питательными веществами, без которых, как и без воздуха, мы бы долго не прожили.

Если вникать в процесс, то реакция фотосинтеза разделена на 2 фазы: световую и темновую. Для первой из них обязательно нужен свет, а вторая протекает независимо от его наличия. Во время световой фазы как раз выделяется кислород, а сахара образовываются в темновой фазе, благодаря ряду сложных химических реакций.

Почему важно достижение успехов в области создания механизмов для искусственного фотосинтеза?

Даже сейчас, на этапе, когда человечество медленно, но уверенно движется к постепенному переходу на альтернативные источники энергии, существует огромный дисбаланс веществ в воздухе, который способствует существенным изменениям климата. При условии создания устройств, которые будут хотя бы так же эффективны как растения в сфере переработки веществ, мы сможем закрыть вопрос с глобальным потеплением.

Кроме того, если энергетический ресурс, который вырабатывается во время реакции фотосинтеза, будет действительно эффективен, можно будет использовать его наряду с другими альтернативными источниками энергии, или даже совмещать устройства, чтобы компенсировать недостатки работы одного механизма преимуществами другого. Такой подход поможет нам постепенно отказаться от ископаемых источников энергии, и, возможно, даже перейти на совершенно новый тип энергии.

Другими словами, вероятное использование фотосинтеза как еще одного варианта применения солнечной энергии – это решение для многих проблем, уже давно вставших перед человечеством и мешающих ему жить. Что касается перспектив развития науки в этой области, они представляются очень хорошими, поскольку сейчас есть достаточно возможностей и средств для использования или создания той аппаратуры, которая позволит изучить естественный процесс фотосинтеза до конца, а затем использовать его.

• Какая жизнь без света?
• Солнце – источник жизни для Iphone
• Солнечные электростанции на территории России: реалии и перспективы
• Солнечные батареи для подогрева воды в бассейне: секреты самостоятельного изготовления

Вам нужно войти, чтобы оставить комментарий.

Источник

Солнечные батареи на основе фотосинтеза — возможно ли такое?

Ученые из Кембриджского университета в Англии нашли способ увеличить эффективность солнечных батарей. В этом им помогла сама природа — система преобразования солнечных лучей в энергию оказалась самой продуманной и продуктивной у растений. Согласно сообщению физиков, открытие заключается в том, что для фотосинтеза и получения энергии эти создания используют квантовую механику, что позволяет перерабатывать излучение наиболее эффективным способом. Свои открытия ученые опубликовали в декабрьском номере журнала Physical Review Letters .

«Ученые во всем мире исследуют работу фотосинтеза на квантовом уровне для того, чтобы спроектировать лучшие солнечные батареи. Мы бы хотели создать систему, которая действительно поможет решить проблему энергетического кризиса», — говорит исследователь Энди Паркер, физик из Кембриджского университета в Англии.

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.

Ученые высказывают сомнения в том, что им удастся воспроизвести всю схему, работающую в растениях, целиком: живые системы слишком сложны. К тому же при фотосинтезе происходит обмен не только энергией, но и веществом, что неуместно, если цель — просто получить электричество. Тем не менее, ничто не мешает позаимствовать лишь необходимые для решения поставленной задачи элементы фотосинтеза.

Предложенная модель фотосинтетических солнечных батарей пока существует лишь в теории, ее реализация на практике, разумеется, столкнется со многими трудностями. Исследователи добавляют, что они еще не построили эту систему в реальной жизни, так как моделирование реальных, актуальных систем — более сложный процесс.

Это не первая попытка ученых найти метод, который позволял бы более эффективно использовать площади солнечных батарей и увеличить их коэффициент полезного действия. В 2012-м в лаборатории электроники и органической оптики технологического института Массачусетса (MIT) были созданы необычные солнечные батареи. Команда инженеров и биологов, которыми руководил 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 использовали фотосинтетические белки, которые были извлечены из бактерий Rhodobacter sphaeroides и хлоропластов листьев шпината.

КПД таких батарей составляет 12%, и его можно поднять до 20%, что в сочетании с небольшой стоимостью изготовления — серьезная заявка, чтобы вытеснить солнечные панели на полупроводниках. Более того, опыты показали: производство таких белковых панелей позволяет сэкономить энергию, которую затрачивают на изготовление обычных кремниевых солнечных коллекторов на полупроводниках. Также они более экологичны и в перспективе смогут самовосстанавливаться при истечении гарантийного срока, что делает их производство более выгодным.

Источник

Фотосинтез поможет создать высокоэффективные солнечные батареи

Исследователи из Государственного университета Джорджии используют фотосинтез для повышения эффективности солнечных батарей, пишет Science Daily.

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 световая энергия солнца заставляет электрон быстро перемещаться по клеточной мембране, и он никогда не возвращается в исходную точку. В искусственных солнечных элементах электроны часто возвращаются, теряя энергию. Именно поэтому поглощение солнечной энергии в растениях настолько эффективно.

Перенос электронов из инвертированной области был описан Рудольфом Маркусом еще в 1992 году, за что он даже получил Нобелевскую премию по химии. До сих пор этот механизм не был смоделирован в естественных условиях.

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, — говорит он. — 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».

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

Источник

Фотосинтез в солнечных батареях

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.

Принцип работы фотосинтетической солнечной батареи

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.

Источник