Исследователи используют бактерии, чтобы повысить солнечную энергию.
Есть много вещей, которые нравятся в солнечной энергии. Это помогает миру избавиться от привычки использовать ископаемое топливо, оно чистое и в изобилии и не оставляет углеродного следа. Но для работы ему нужно солнце, что делает его менее практичным в местах, где часто бывают пасмурные дни. Генетически модифицированная бактерия, использующая краситель для преобразования света в энергию, в конечном итоге может изменить ситуацию. Ученые в Британской Колумбии, где часто бывают пасмурные дни, построили дешевую и устойчивую солнечную батарею из E. coli, создавая «биогенный» солнечный элемент, названный так потому, что он сделан из живого организма. Это не первая экспериментальная биогенная солнечная батарея, но она отличается от других — и вырабатывает более мощный ток, говорят они. Кроме того, он работает как при тусклом свете, так и при ярком свете. Любой материал, который можно «возбудить» или наполнить светом достаточную энергию для высвобождения электронов, можно использовать в солнечных элементах для выработки электроэнергии. В биогенных солнечных элементах материал, «возбуждаемый» светом, является биологическим — в данном случае краситель — по сравнению с обычными или неорганическими солнечными элементами, в которых для генерации используется кристаллический кремний. электроны.
«Британская Колумбия стремится стать одной из ведущих декарбонизированных экономик мира», — говорится в сообщении. Викрамадитья Ядав, профессор кафедры химии и биологии Университета Британской Колумбии. инженерия. «Надежное производство и поставка чистой энергии является ключом к достижению этой цели, и солнечная энергия является основным кандидатом на декарбонизацию энергетического сектора. Однако типично унылое зимнее небо Британской Колумбии предъявляет уникальные требования к фотогальваническим материалам, которые будут использоваться для использования солнечной энергии».
Их решение недорогое и, в конечном счете, «может работать с эффективностью, сравнимой с эффективностью обычных фотоэлектрических систем», — сказал он. Исследователи считают, что даже если эти клетки не достигают той же силы, что и обычные клетки. они могут играть важную роль в определенных условиях слабого освещения, таких как шахты или глубоководные объекты. исследование.
«Мы считаем, что биогенные солнечные элементы станут полезным дополнением к технологии неорганических солнечных элементов», — сказал Ядав. «Даже в зачаточном состоянии технология уже нашла несколько многообещающих применений. Изучение условий с низким уровнем освещенности, таких как шахты, требует использования датчиков, которые могут питаться от биогенных клеток, подобных той, которую мы разработали».
Предыдущие попытки создать биогенные солнечные элементы были сосредоточены на извлечении природного красителя, который бактерии используют для фотосинтеза. Это дорогой и сложный процесс, в котором используются токсичные материалы и который может нанести вред красителю. Канадские исследователи решили попробовать что-то немного другое. Они оставили краситель в бактериях и повозились с организмом, заставив его производить большое количество ликопина, того же красителя, который содержится в помидорах и других красных фруктах.
Затем они покрыли бактерии минералом, который действует как полупроводник, и нанесли смесь на стеклянную поверхность. Стекло с покрытием на одном конце ячейки действует как анод — электрод, через который обычно потоки тока - они генерировали плотность тока, намного большую, чем у других в этой области. (0,686 миллиампер на квадратный сантиметр по сравнению с 0,362.) исследовать появляется в журнале Маленький.
Использование светочувствительных пигментов не является новой концепцией, но в прошлом она сталкивалась с препятствиями. В 1988 г. Майкл Гретцель, швейцарский ученый, использовал светочувствительные пигменты для разработки солнечного элемента, называемого солнечным элементом, сенсибилизированным красителем, или DSSC.
«Большинство DSSC имеют определенные ограничения, — сказал Ядав. «Извлечение красителя из природного источника требует использования токсичных растворителей и энергии, а чувствительность красителей к свету приводит к значительной деградации еще до того, как они будут введены в солнечная батарея. Наша разработка напрямую устраняет эти ограничения и направлена на то, чтобы сделать производство солнечных элементов, особенно для использования в условиях низкой освещенности, более доступным».
Однако он не совсем готов к прайм-тайму. Бактерии умирают во время процесса, поэтому поиск способов сохранить их жизнь привел бы к более эффективному производству клеток, поскольку в этом случае бактерии могли бы производить краситель бесконечно. Кроме того, они планируют доработать элементы, приблизив их к выдаче той же мощности, что и обычные солнечные элементы.
«Наше изобретение представляет собой прототип первого поколения, который нуждается в значительных улучшениях, прежде чем он сможет достичь уровня кремниевые солнечные элементы, которые могут обеспечить примерно в 25 раз большую плотность тока по сравнению с бактериальными солнечными элементами», — сказал Ядав. сказал. «Мы не рассматриваем нашу технологию как конкурента обычным солнечным элементам. Во всяком случае, еще нет.
Как это часто бывает с научными открытиями, это произошло случайно. «Нашей первоначальной мотивацией для работы было создание бактериальных «мини-фабрик» для производства больших количеств ликопина и других веществ. молекулы каротиноидов, которые будут использоваться в качестве нутрицевтиков», — сказал Ядав, имея в виду вещества, которые добавляют в продукты для улучшения их здоровья. преимущества. «Однако наша команда столкнулась с проблемой хранения свежевыработанного ликопина».
Ликопин стал быстро разлагаться при хранении в прозрачных стеклянных бутылках, поэтому перешли на непрозрачные. Но наблюдение за тем, как ликопин разлагается под воздействием света, вызвало новые научные вопросы и новые направления исследований. «В химии деградация обычно означает высвобождение электронов, и мы задались вопросом: была ли скорость высвобождения электронов достаточно высокой, чтобы генерировать измеримый ток?» — сказал Ядав.
«Один из студентов в группе, увидев, что происходит с ликопином в прозрачных бутылках, воскликнул: «Правда? Ликопин так легко разлагается под воздействием света? Вы можете себе представить, если мы поместим это в солнечный элемент?» Это вопрос, который заинтересовал нас в разработке солнечных элементов, сенсибилизированных красителем», — вспоминает Ядав. «Решение использовать бактерии непосредственно с [минеральным] покрытием было авантюрой, и она окупилась. Интуиция — великий союзник ученых, и мы в большом долгу перед интуицией и любознательными студентами, которые спрашивают «почему бы и нет?», а не «почему?»».
Марлен Саймонс пишет для Нексус Медиа, синдицированная лента новостей о климате, энергетике, политике, искусстве и культуре.