Lån fra naturen for at udnytte solens kraft

Et kunstigt blad, der kan høste energi fra solen hurtigere end et naturligt, kan føre til en ny generation af vedvarende energi og medicinske teknologier.

Over hundreder af millioner af år, evolutionen har forfinet en proces, der gør det muligt for planter at bruge solens energi til at omdanne kuldioxid og vand til det sukkerholdige brændstof, de skal bruge for at vokse.

Den elegante række af biokemiske reaktioner involveret i denne proces er nogle af de grundlæggende byggesten i livet på denne planet.

Men nu har videnskabsmænd slået naturen i sit eget spil ved at skabe et semi-kunstigt blad, der inkorporerer nogle af de komponenter, der er finpudset af evolutionen, for at producere en enhed, der er op til seks gange mere effektiv.

"Når de naturlige komponenter i fotosyntesen er inkorporeret i kunstige enheder, disse enheder udkonkurrerer den elektronoverførselsevne, der findes i det naturlige miljø, sagde Dr Nicolas Plumeré, en kemiker ved Ruhr-Universitetet Bochum i Tyskland.

Han og hans kolleger, som en del af det EU-finansierede PHOTOTECH-projekt, brugt et protein, der findes i rigtige blade, der er ansvarligt for at transportere elektroner under fotosyntesen for at skabe deres semi-kunstige blade.

"Under lys, et protein, der findes i naturlige blade eller alger, kan producere omkring 50 højenergielektroner hvert sekund, " forklarede Dr. Plumeré. "Når det samme protein er inkorporeret i kunstige blade, op til 300 højenergielektroner produceres hvert sekund."

Dr. Plumeré håber, at denne tilgang i sidste ende kan levere nye, enkle og billige solcelleteknologier – også kendt som fotovoltaiske celler – baseret på fotosyntese, selvom han advarer om, at teknologien stadig er år væk fra at finde kommercielle applikationer.

"Grøn solcelle i stor skala kunne simpelthen males på en væg for at indsamle solenergi direkte på deres anvendelsessted, " sagde han. Teknologien kan også bruges til at drive små medicinske apparater, såsom sensorer implanteret i kontaktlinser for at overvåge biomarkører i tårer.

Da det nødvendige protein til enhederne kan fås fra alger, det kan produceres til en lav pris sammenlignet med de sjældne jordarters metaller, der er nødvendige for nuværende solpanelceller.

"Disse fotosyntetiske materialer kan dyrkes på spildevand, og de kemiske elementer, der er nødvendige for deres samling, er uendeligt tilgængelige, " sagde Dr. Plumeré. "Som sådan, de åbner et stort løfte for fremtidige enheder til bæredygtig energihøst, som i sig selv kan fremstilles på en bæredygtig måde."

At producere enheder, der kan generere vedvarende energi på en miljøvenlig måde, kan spille en nøglerolle i at hjælpe med at erstatte klodens afhængighed af forurenende fossile brændstoffer. Men den intermitterende karakter af sådanne vedvarende energikilder gør denne opgave vanskelig. Hvordan, for eksempel, kan lyset holdes tændt, når solceller ikke producerer strøm om natten?

Spaltning af vand

Svaret ligger i at lagre den energi, der produceres af sådanne vedvarende kilder, selvom til dato, moderne batterier og andre opbevaringsmuligheder giver kun en begrænset mulighed for at gøre dette. Men forskere mener, at fotosyntese også kan give en løsning her.

"Den mest effektive måde at lagre vedvarende energi på er at producere et brændstof som brint, " sagde Dr Vincent Artero, en kemiker ved Grenoble Alpes Universitet og CEA-Grenoble, Frankrig. "Da solenergi er den mest udbredte vedvarende energi, hvorfor ikke udvikle en proces, der direkte fanger sollys og omdanner det til brændstof?"

Dr. Artero og hans team har kopieret metabolismen af ​​nogle alger, der bruger solenergi til at opdele vand til brint og ilt. Finansieret af EU's Europæiske Forskningsråd, PhotocatH2ode-projektet har til formål at inkorporere bio-inspirerede farvestoffer og katalysatorer i en foto-elektrokemisk celle, producerer en slags kunstige blade, der kan generere brint fra sollys og vand.

"Vores tilgang bruger molekylære komponenter, såsom farvestoffer, at absorbere sollys og katalysatorer for at opnå brintproduktion, immobiliseret på gennemsigtige elektroder." sagde Dr. Artero. "Dette arbejde åbner nye horisonter for udviklingen af ​​nye teknologier til brintproduktion."

Efterligner naturen

Men at forstå, hvordan alger, planter og bakterier kan omdanne lysenergi på molekylært niveau, kan føre til endnu mere effektive kunstige lys-høstsystemer. Et team, der arbejder på det EU-finansierede ENLIGHT-projekt, er ved at udvikle nye teoretiske og beregningsmæssige modeller for at afdække, hvordan disse komplekse, men unikke systemer fungerer.

"I disse organismer, lyshøst er den første, grundlæggende trin i fotosyntesen, " sagde professor Benedetta Mennucci, en kemiker ved universitetet i Pisa i Italien, der leder ENLIGHT. "De udviklede modeller kan nu anvendes på forskellige typer organismer for at forstå, om naturen har optimeret nogle specifikke egenskaber - fælles for alle systemer - som kan efterlignes i kunstige."

Dette arbejde kan vise sig at være afgørende for at drive et spirende forskningsområde:soldrevet kemi. Dette har til formål at efterligne naturen ved at bruge solenergi direkte til produktion af brændstoffer, kemikalier og materialer.

"Vi kunne erstatte alle vores nuværende metoder til fremstilling af brændstoffer og råvarekemikalier med nye, der bruger vand, nitrogen og kuldioxid som udgangsmaterialer, sammen med lys eller vedvarende elektricitet som det energiske input, " sagde Dr. Artero. "Dette ville være en revolution for Europa."