Александра Брутер: Батарейка из листа

Александра Брутер Батарейка из листа Ruhr-Universitaet-Bochum

Группа ученых из Рурского университета в Бохуме предложила новый вариант солнечной батареи, основной элемент которой – белковый комплекс, занимающийся фотосинтезом у растений.

Солнечное излучение – очень перспективный источник энергии на Земле, по крайней мере, в некоторых ее районах. В настоящее время используются преобразователи электроэнергии с КПД от 9 до 24%, и цена одного КВтч солнечной энергии составляет примерно 0,25 доллара США (для сравнения – цена одного КВтч для автора статьи составляет примерно 0,1 доллара США). Но постоянно ведутся исследования, направленные на рост КПД и снижение цены.

Обычная сегодняшняя солнечная батарея – это полупроводниковый прибор. Принцип его действия основан на процессе, связанным с фотоэффектом – так называемом фотовольтаическим эффектом. Электроны в атомах находятся на разных энергетических уровнях, каждому из которых соответствует строго определенная энергия. Электрон может поглотить или излучить квант света, перейдя на более высокий или более низкий энергетический уровень. В полупроводниках электроны на внешних энергетических уровнях привязаны к атому сильнее, чем в проводниках и редко могут самостоятельно отправиться в путешествие. Но в определенных полупроводниках квантов света вполне достаточно, чтобы электрон, поглотив их, покинул атом. Современные полупроводники – это, как правило, кристаллы с примесями. За счет примесей можно получать проводники p-типа (с «дырками» как основными носителями заряда) и n-типа (основные носители заряда – электроны).

Если в кристаллической решетке четырехвалентного (четыре электрона на внешнем энергетическом уровне с низкой энергией отрыва) кремния одно из мест в узле решетки займет трехвалентный алюминий (три электрона на внешнем энергетическом уровне с низкой энергией отрыва), то при общей электрической нейтральности такой конструкции возникнет одно место, на котором электрон мог бы быть – дырка. Так получается полупроводник p-типа.

Добавлением атома с большей валентностью можно получить полупроводник n-типа.

Если расположить полупроводники p-типа и n-типа так, чтобы у них была общая граница, с одной стороны границы будет высока концентрация дырок, а с другой – электронов. Их хаотическое движение будет приводить к тому, что они будут случайно попадать на чужую территорию, а на границе раздела материалов будет образовываться разность потенциалов. Воздействие света приводит к тому, что большое количество электронов начинает покидать атом и попадать на сторону p-полупроводника. Это еще больше увеличивает разность потенциалов. Если подключить к такому устройству внешнее напряжение – через него потечет ток.

На вопрос «как превратить энергию солнечного света в энергию, удобную для использования, например, электрическую» логично искать ответ у природы. В живой природе почти все, за очень редкими исключениями, либо получают энергию и питательные вещества за счет энергии солнечного света, либо едят тех, кто получает энергию и питательные вещества за счет энергии солнечного света, либо едят тех, кто ест тех, кто получает. Хотя эволюция и не ходит прямым путем к самому эффективному результату, не могли не выработаться достаточно эффективные механизмы фиксации солнечной энергии. Иногда даже гетеротрофы не прочь пофотосинтезировать. Брюхоногий моллюск Elysia chlorotica ассимилирует хлоропласты определенного типа водорослей, которыми питается. После этого хлоропласты могут жить несколько месяцев в теле моллюска и фотосинтезировать. В это время моллюску другой пищи не надо. Вообще-то хлоропласты, хотя и исторически являются независимыми организмами, перешли к симбиозу с эукариотческими клетками так давно, что не могут уже сами синтезировать все белки, необходимые для своей работы, поскольку соответствующие гены перекочевали из генома хлоропластов в ядерный геном. За них это делают клетки растений. Так вот, Elysia chlorotica каким-то образом сумела инкорпорировать некоторые нужные для фотосинтеза гены в свой геном.

В общих чертах электрохимия фотосинтеза сводится к тому, что квант света возбуждает электрон, его передает по цепочке ряд белков, и все заканчивается синтезом нескольких молекул АТФ, молекул органических соединений из воды и углекислого газа и выделением кислорода. А что если израсходовать отделившийся возбужденный электрон не на все эти очень нужные живым существам процессы, а на генерацию электрического тока? Синтезировать много белков растительной или бактериальной фотосистемы I или фотосистемы II, иммобилизовать их на каком-нибудь носителе, поместить в какое-нибудь место, где на них будет светить солнце, и подключить нагрузку?

Именно такую задачу с белками фотосистемы I цианобактерий решали ученые из университета в Бохуме. Вопрос в том, как их иммобилизовать. В клетке белки этого типа существуют в мембране – липидном бислое, с определенным pH внутри мембраны и снаружи. Нужная пространственная структура и функциональность белка часто тесно связаны с гидрофильностью и гидрофобностью отдельных его частей и частей окружающих его белков. Точное соблюдение этих условий необходимо для того, чтобы белки не утрачивали своей конформации и функционировали, как задумано природой. С этой целью авторы работы создали электропроводящий гидрогель, гидрофильные/гидрофобные свойства которого легко менять, изменяя pH. В результате получилось устройство, мощность переноса электронов в котором почти на порядок превышала мощность в живом листе.

Сейчас все это звучит довольно экзотически, а полупроводниковые батареи дешевле и неплохо справляются. Но, возможно, что процесс получения рекомбинантных белков подешевеет, и подобные элементы питания найдут свое применение в миниатюрных медицинских приборах, например, сенсорах в контактных линзах. Если мечтать дальше, можно задуматься о создании биоинженерных листьев целиком – они будут выделять кислород и запасать питательные вещества в 10 раз эффективнее.

Об исследовании сообщается в журнале Chemistry.

Смотрите также: Впервые выделен целый центр фотосинтеза Бактерии превратили в батарейки Зеленую водоросль застали за поеданием бактерий Николай Дятлов Вирусы вместо газа