Учёные создали солнечную батарею из хлорофилла бактерии
Развитие этого эксперимента, по мнению его авторов, приведёт к тому, что через несколько лет жители отдалённых деревень смогут электрифицировать свои дома при помощи ряда покупных реактивов и стога свежескошенной травы.
Андреас Мершин (Andreas Mershin) и его коллеги из Массачусетского технологического института (MIT) построили опытные батареи на основе светособирающего комплекса биологических молекул — фотосистемы I (PS-I). Она была взята у цианобактерии Thermosynechococcus elongates.
Под обычным солнечным светом ячейки показали напряжение холостого хода в 0,5 вольта, удельную мощность 81 микроватт на квадратный сантиметр и плотность фототока в 362 мкА/см2. А это, по уверению изобретателей, в 10 тысяч раз выше, чем у любой показанной ранее биофотовольтаики, основанной на натуральных фотосистемах.
(О результатах опыта экспериментаторы отчитались в Scientific Reports.)
Фотосистемы являются важнейшими компонентами комплексов, отвечающих за фотосинтез в растениях и сине-зеленых водорослях. Они состоят из нескольних вариаций хлорофилла и сопутствующих молекул-протеинов, липидов и коэнзимов. Общее число молекул в таком наборе-до двух сотен.
КПД полученных батарей составил всего-то около 0,1%. Тем не менее создатели диковинки считают её важным шагом на пути массового внедрения солнечной энергетики в быт. Ведь потенциально такие устройства могут производиться с низкими затратами.
В идеале биологические батареи могли бы делать сами потребители у себя дома, пользуясь недорогими химреактивами, продаваемыми в пакетике как набор «сделай сам», а также мусором с участка или фермы. «Вы сможете использовать в качестве сырья всё зелёное, даже скошенную траву», — прогнозирует Мершин.
Авторы нового преобразователя считают, что опыт с его построением может быть повторён даже в колледже или школе с более-менее развитой химической лабораторией. А в дальнейшем инструкцию по сборке «фотогальванической ячейки из травы» можно будет поместить на одной страничке, причём отразить практически без слов, одними картинками.
Упрощение всех этапов создания такой батареи – основная заслуга изобретателей из MIT. Ранее для концентрации молекул PS-I применялись центрифуги, но команда Андреаса предложила альтернативу — недорогие мембраны.
Никаких специальных лабораторных условий для их применения не нужно. «Состав может быть очень грязный, и он всё ещё будет работать, так его спроектировала природа, – рассказывает исследователь. — Природа работает в грязной среде, это результат миллиардов экспериментов на протяжении миллиардов лет».
После ряда усовершенствований КПД «травяных батарей» можно поднять до 1-2%, и это будет уже коммерчески жизнеспособный уровень, передаёт Gizmag.
Для того чтобы добиться выдающихся параметров прибора, учёным пришлось решить ряд проблем, возникших далеко не вчера. Поясним, данный опыт явился развитием работы, начатой в MIT ещё восемь лет назад молекулярным биологом Шугуаном Чжаном (Shuguang Zhang) и рядом его соратников. Чжан, кстати, является одним из основных авторов и нового эксперимента.
Предыдущие ячейки, заимствовавшие фотосистемы у растений либо бактерий, могли нормально работать только под концентрированным светом лазера, то есть в узком диапазоне длин волн.
Второй недостаток прежних вариантов «живой батареи» — для её изготовления были необходимы дорогие химические вещества и современное оборудование лаборатории.
Третий важный момент – надёжная и долговременная стабилизация извлечённых из растений молекулярных комплексов. Вне клетки PS-I существует недолго. Но команда MIT разработала набор поверхностно активных пептидов, способных обволакивать систему PS-I, сохраняя её на большой срок.
И, наконец, было ещё одно давнее препятствие. Всё та же фотосистема повреждалась от ультрафиолета. Его удалось преодолеть в ходе решения другой задачи – повышения эффективности сбора света.
Комплексы PS-I Мершин со товарищи высеивали не на гладкой подложке, как это было в прежних похожих экспериментах, а на поверхности с огромной эффективной площадью.
В роли такой основы выступили губка из диоксида титана (толщиной 3,8 микрометра и с размером пор в 60 нанометров) и плотный «лес» стержней из оксида цинка (с высотой «деревьев» в несколько микрометров и диаметром в доли микрометра).
Оба варианта фотоанода показали сходные результаты. Причём они не только позволили заметно увеличить число молекул хлорофилла, выставленных под свет, но и отчасти защитили комплексы PS-I от ультрафиолетовых лучей. Ведь оба материала являются хорошими их поглотителями.
А ещё титановая наногубка и цинковый нанолес сыграли роль каркаса и выполнили функцию переносчика электронов. Ну а на PS-I возлагалась задача сбора света, его усвоения и разделения зарядов, аналогично тому, как это происходит в клетках.
В заключение скажем, что ранее учёные немало времени потратили на развитие ещё одного специфического направления в солнечной энергетике. Это элементы на сенсибилизированных красителях. Последние не используют биологические фотосистемы буквально, но зато пытаются их копировать.
Пока рано говорить, какой вариант солнечных батарей окажется более оправданным. Но вот любопытный момент: в нынешнем проекте принимал участие Михаэль Гретцель (Michael Grätzel) из лаборатории фотоники и интерфейсов швейцарского политехнического института, известный нашим читателям как раз по созданию рекордной батареи на красителях.
Возможно, что вместо копирования природных улавливающих свет комплексов выгоднее окажется просто извлекать концентрат нужных молекул из листьев, бактерий или водорослей. Впрочем, есть ещё более яркая идея на отдалённую перспективу — подключать подобные живые генераторы почти напрямую в сеть.