Растения обладают удивительным механизмом усваивания солнечного света — фотосинтезом. Специальные биологические молекулы вырабатывают энергию, которая идёт на обеспечение преобразования питательных веществ в биомассу. Но, оказывается, можно заставить белки отдавать «солнечную» энергию напрямую в электросеть.
Необычные солнечные батареи созданы в лаборатории органической оптики и электроники (Laboratory of Organic Optics and Electronics) Массачусетского технологического института (MIT).
Команда биологов и инженеров под руководством профессора Марка Балдо (Marc Baldo) решила, что растительные белки могут вырабатывать электричество для зарядки аккумуляторов, скажем, ноутбука.
В качестве естественного преобразователя света в электроток учёные использовали фотосинтетические белки, извлечённые из хлоропластов листьев шпината, а также из бактерий Rhodobacter sphaeroides.
Однако, набрав, таким образом, пару миллиардов крошечных органических помощников, экспериментаторы должны были предоставить им условия для работы. Ведь на сухой твёрдой поверхности белки не сохраняются долго.
Тогда органику решили «обмануть», заставив «думать», что она всё ещё внутри организма.
Для этого создатели биофотоячеек применили искусственный материал, созданный молекулярным биологом MIT Шугуан Чжан (Shuguang Zhang).
Материал представляет собой искусственные пептиды, способные самособираться в структуры, похожие на клеточные мембраны.
Защитные молекулы сформировали щит вокруг фотосинетических белков, благодаря чему они смогли какое-то время существовать в солнечной батарее.
Сама же батарея была собрана следующим образом (по ходу лучей света): стекло, тончайший слой оксида индия (в качестве прозрачного электрода), фотосинтетические белки в пептидной оболочке, органический полупроводник, серебряный электрод.
Поглощая фотоны, белки переправляли электроны через слой полупроводника в серебряный электрод.
Увы, несмотря на все ухищрения, белки давали ток лишь 21 день. Тут-то пора сказать, зачем собственно учёным возиться с такими ненадёжными «партнёрами», когда давно есть классические фотоэлектрические преобразователи на полупроводниках, в области которых в последнее время наметился явный прогресс.
Причина в том, что солнечные панели на основе кремния, если учитывать их производство, вовсе не безвредны для окружающей среды. В то время как белковые панели, напротив, дружественны ей.
КПД их, кстати, составил 12%. По современным представлениям — не так уж много. Но авторы работы считают, что его можно поднять до 20%, а это в сочетании с низкой стоимостью изготовления — уже серьёзная заявка на то, чтобы потеснить полупроводниковые солнечные панели.
Для этого, к примеру, можно сделать внутреннюю поверхность стекла шероховатой, чтобы увеличить эффективную площадь, на которой будут размещаться фотосинтетические белки.
А как же срок службы? Тут снова можно подсмотреть «патент» у природы.
Растения ведь заменяют старые фотосинтетические белки на новые. Для солнечных батарей также можно придумать технологию самовосстановления, создав фактически искусственный «зелёный лист», который собирает солнечную энергию, но вместо привычного производства биомассы направляет её в провода.
Если эта проблема будет решена, то по сроку службы белковые солнечные панели даже превзойдут полупроводниковые, которые на самовосстановление не способны.
