Biomimetikus napelemek a láthatáron

A fotoszintézis titkainak feltárásán keresztül vezet az út az újtípusú napelemek felé.

Biomimetikus napelemek a láthatáron

A biológusok szeretik a fotoszintetizáló szervezetek fénybegyűjtő-rendszerét parabolaantennához hasonlítani, mivel mindkettő egy „vevőre” fókuszálja az összegyűjtött elektromágneses sugárzást. 

Sokan úgy gondolják, hogy a napenergia-hasznosítás egyedül szilíciumalapú napelemeken keresztül működik, pedig vannak más lehetőségek is. 1941-ben a félvezetők jobb megismerése tette lehetővé a napelem feltalálását, napjainkban pedig a fotoszintézis titkainak feltárásán keresztül vezet az út az új megoldások felé.

A Washingtoni Egyetemen működő Photosynthetic Antenna Research Center (PARC) munkatársai fotoszintézisre képes hibrid és mesterséges rendszerek építésén dolgoznak. Az egyik csoportnak sikerült reprodukálnia a fotoszintézishez létfontosságú, úgynevezett fénybegyűjtő-antennát. Mintául a zöld kénbaktérium kloroszómáját használták, amely nagymennyiségű (250 ezer) pigmentet tartalmaz, és talán a természet leghatékonyabb fénybegyűjtő-antennája, hiszen a baktérium még az óceán mélyének halvány derengésében is képes fotoszintetizálni.

Minden fotoszintetizáló biológiai rendszerben közös elem a fénybegyűjtő-antenna és a reakcióközpont jelenléte. Az antenna pigmentmolekulái elnyelik a fotont és az energiát átadják a reakcióközpontnak, ahol ez kémiai láncreakciót indít el, melynek végeredményeként ATP keletkezik. Az ATP-molekulák gyakorlatilag a sejt energiaraktárai, bomlásukkor szabadul fel a bennük tárolt energia.

A zöld kénbaktérium fénybegyűjtő-rendszere némileg eltér a szokásostól. Antennája az energiát először egy pigment/protein-rendszernek adja át, majd ezen keresztül kerül a reakcióközpontba. A növényekben és az algákban a fényelnyelő-pigmentek egy proteinvázon ülnek, amely úgy osztja el a pigmentmolekulákat, hogy az energiaátadás optimális legyen. Ez a proteinváz a kloroszómából hiányzik, így itt a pigmentek maguk rendeződnek az energiaáramlást lehetővé tevő struktúrába. Ez azért érdekes, mert a kloroszóma rendszerét így könnyebb „lemásolni”, mint a fehérjéket is tartalmazó növényi fénybegyűjtő-rendszereket.

A kutatók fő kérdése ez után az volt, hogy vajon a mesterséges pigmentek képesek-e maguktól ilyen struktúrába rendeződni. Háromféle molekulaszerkezet létezik a természetes pigmentek között: a porfirinváz (hemoglobin), a klorinváz (klorofill), és a bakterioklorin-váz. Ezek bármelyike előállítható mesterségesen. Mindhárom molekulatípus a napfény egyes hullámhosszait nyeli el, de a cél a szempontjából a legfontosabb a zöld kénbaktériumban is megtalálható klorin, amely a láthatófény-tartomány vörös felét nyeli el. 

A kutatók harminc különböző klorinvázas pigmentmolekulát szintetizáltak különböző kémiai csoportok hozzáadásával és eltávolításával, és ezek függvényében vizsgálták a molekulák önrendeződési képességét. Az eredmények alapján úgy tűnik, hogy a mesterséges pigmentek is képesek megfelelően összekapcsolódni, és az összekapcsolódás mértéke megjósolható a molekula elektromos tulajdonságaiból.

A pigmentek tehát egy felületre helyezve maguktól rendeződnek a megfelelő működéshez, így alkalmasak a fényenergia „feldolgozására” mesterséges rendszerekben is, új lehetőségeket teremtve a napenergia hasznosításában. A biomimetika, vagyis a természet utánzása, persze nem mindig működik, de biológiai tudásunk növekedésével egyre gyakrabban sikerül a természetben akár évmilliók óta „üzemelő” rendszerek lemásolása.

Tesztek

{{ i }}
arrow_backward arrow_forward
{{ content.commentCount }}

{{ content.title }}

{{ content.lead }}
{{ content.rate }} %
{{ content.title }}
{{ totalTranslation }}
{{ orderNumber }}
{{ showMoreLabelTranslation }}
A komment írásához előbb jelentkezz be!
Még nem érkeztek hozzászólások ehhez a cikkhez!
Segíts másoknak, mond el mit gondolsz a cikkről.
{{ showMoreCountLabel }}

Kapcsolódó cikkek

Magazin címlap arrow_forward