Учёные создали солнечную батарею из хлорофилла бактерии

Нанокристаллическая губка из диоксида титана послужила основой одного из варианта биобатареи (фото Andreas Mershin et al.).

Развитие этого эксперимента, по мнению его авторов, приведёт к тому, что через несколько лет жители отдалённых деревень смогут электрифицировать свои дома при помощи ряда покупных реактивов и стога свежескошенной травы.

Андреас Мершин (Andreas Mershin) и его коллеги из Массачусетского технологического института (MIT) построили опытные батареи на основе светособирающего комплекса биологических молекул — фотосистемы I (PS-I). Она была взята у цианобактерии Thermosynechococcus elongates.

Под обычным солнечным светом ячейки показали напряжение холостого хода в 0,5 вольта, удельную мощность 81 микроватт на квадратный сантиметр и плотность фототока в 362 мкА/см2. А это, по уверению изобретателей, в 10 тысяч раз выше, чем у любой показанной ранее биофотовольтаики, основанной на натуральных фотосистемах.

(О результатах опыта экспериментаторы отчитались в Scientific Reports.)

Фотосистемы являются важными компонентами комплексов, отвечающих за фотосинтез в растениях и сине-зелёных водорослях. Они состоят из нескольких вариаций хлорофилла и сопутствующих молекул — протеинов, липидов и коэнзимов. Общее число молекул в таком наборе – до двух с лишним сотен (иллюстрация wikipedia.org).

КПД полученных батарей составил всего-то около 0,1%. Тем не менее создатели диковинки считают её важным шагом на пути массового внедрения солнечной энергетики в быт. Ведь потенциально такие устройства могут производиться с низкими затратами.

В идеале биологические батареи могли бы делать сами потребители у себя дома, пользуясь недорогими химреактивами, продаваемыми в пакетике как набор «сделай сам», а также мусором с участка или фермы. «Вы сможете использовать в качестве сырья всё зелёное, даже скошенную траву», — прогнозирует Мершин.

Авторы нового преобразователя считают, что опыт с его построением может быть повторён даже в колледже или школе с более-менее развитой химической лабораторией. А в дальнейшем инструкцию по сборке «фотогальванической ячейки из травы» можно будет поместить на одной страничке, причём отразить практически без слов, одними картинками.

Упрощение всех этапов создания такой батареи – основная заслуга изобретателей из MIT. Ранее для концентрации молекул PS-I применялись центрифуги, но команда Андреаса предложила альтернативу — недорогие мембраны.

Никаких специальных лабораторных условий для их применения не нужно. «Состав может быть очень грязный, и он всё ещё будет работать, так его спроектировала природа, – рассказывает исследователь. — Природа работает в грязной среде, это результат миллиардов экспериментов на протяжении миллиардов лет».

После ряда усовершенствований КПД «травяных батарей» можно поднять до 1-2%, и это будет уже коммерчески жизнеспособный уровень, передаёт Gizmag.

Опытные фотоэлектрические ячейки представляют собой сэндвич из пары слоёв стекла, тонких проводящих покрытий (оксид олова, легированный фтором или индием, FTO/ITO), строительных лесов из диоксида титана или оксида цинка и смеси бактериального фотоулавливающего комплекса PS-I (показан в центре) со стабилизирующим его пептидным набором A6K. Причём пространство между листами ещё и заполнено электролитом, содержащим ионы кобальта (иллюстрация Andreas Mershin et al.).

Для того чтобы добиться выдающихся параметров прибора, учёным пришлось решить ряд проблем, возникших далеко не вчера. Поясним, данный опыт явился развитием работы, начатой в MIT ещё восемь лет назад молекулярным биологом Шугуаном Чжаном (Shuguang Zhang) и рядом его соратников. Чжан, кстати, является одним из основных авторов и нового эксперимента.

Предыдущие ячейки, заимствовавшие фотосистемы у растений либо бактерий, могли нормально работать только под концентрированным светом лазера, то есть в узком диапазоне длин волн.

Второй недостаток прежних вариантов «живой батареи» — для её изготовления были необходимы дорогие химические вещества и современное оборудование лаборатории.

Третий важный момент – надёжная и долговременная стабилизация извлечённых из растений молекулярных комплексов. Вне клетки PS-I существует недолго. Но команда MIT разработала набор поверхностно активных пептидов, способных обволакивать систему PS-I, сохраняя её на большой срок.

Нанолес из оксида цинка, в данном случае выросший в высоту на 3 мкм (фото Andreas Mershin et al.).

И, наконец, было ещё одно давнее препятствие. Всё та же фотосистема повреждалась от ультрафиолета. Его удалось преодолеть в ходе решения другой задачи – повышения эффективности сбора света.

Комплексы PS-I Мершин со товарищи высеивали не на гладкой подложке, как это было в прежних похожих экспериментах, а на поверхности с огромной эффективной площадью.

В роли такой основы выступили губка из диоксида титана (толщиной 3,8 микрометра и с размером пор в 60 нанометров) и плотный «лес» стержней из оксида цинка (с высотой «деревьев» в несколько микрометров и диаметром в доли микрометра).

Оба варианта фотоанода показали сходные результаты. Причём они не только позволили заметно увеличить число молекул хлорофилла, выставленных под свет, но и отчасти защитили комплексы PS-I от ультрафиолетовых лучей. Ведь оба материала являются хорошими их поглотителями.

А ещё титановая наногубка и цинковый нанолес сыграли роль каркаса и выполнили функцию переносчика электронов. Ну а на PS-I возлагалась задача сбора света, его усвоения и разделения зарядов, аналогично тому, как это происходит в клетках.

Идеализированная схема батареи (иллюстрация Andreas Mershin et al.).

В заключение скажем, что ранее учёные немало времени потратили на развитие ещё одного специфического направления в солнечной энергетике. Это элементы на сенсибилизированных красителях. Последние не используют биологические фотосистемы буквально, но зато пытаются их копировать.

Пока рано говорить, какой вариант солнечных батарей окажется более оправданным. Но вот любопытный момент: в нынешнем проекте принимал участие Михаэль Гретцель (Michael Grätzel) из лаборатории фотоники и интерфейсов швейцарского политехнического института, известный нашим читателям как раз по созданию рекордной батареи на красителях.

Возможно, что вместо копирования природных улавливающих свет комплексов выгоднее окажется просто извлекать концентрат нужных молекул из листьев, бактерий или водорослей. Впрочем, есть ещё более яркая идея на отдалённую перспективу — подключать подобные живые генераторы почти напрямую в сеть.



Учёные впервые запрограммировали стволовые клетки пуповины

19 января 2012

Генетики создали химер из клеток шести эмбрионов

10 января 2012

Физики создали расщепитель воды из белка цианобактерий

28 декабря 2011

Норвежцы построят дата-центр с охлаждением от фьорда

27 декабря 2011

Учёные создали краску — солнечную батарею

23 декабря 2011
  • Генки Умайоши  6 февраля, 20:05
    А вот интересно, в природе КПД фотосинтеза какой?
    ОтветитьНравится
  • Анатолий Алтухов  6 февраля, 20:08
    1% и ниже
    ОтветитьНравится
  • Дмитрий Степанов  7 февраля, 21:58
    КПД полученных батарей составил всего-то около 0,1%
    ОтветитьНравится
  •   6 февраля, 20:21
    Ключевое слово убивающее все органическую фотовольтаику — photobleaching.
    Хто в жизни раз видел умирающий сигнал красителя с флуоресцентного
    микроскопа меня поймет.
    И хоть бубном танцуйте, хош песни пойте.
    ОтветитьНравится
  • Артём Гороховский  6 февраля, 22:33
    видел-не понял
    ОтветитьНравится
  • Артём Гороховский  6 февраля, 22:36
    аа всё!
    теперь понял
    ОтветитьНравится
  • Анатолий Алтухов  6 февраля, 20:25
    А почему в листьях фотообесцвечивания нет? Или есть?
    ОтветитьНравится
  •   6 февраля, 20:47
    А вы чуть-чуть подумайте
    ОтветитьНравится
  • Анатолий Алтухов  6 февраля, 22:49
    Ферменты ингибируют этот процесс?
    ОтветитьНравится
  •   6 февраля, 23:19
    Ну для начала ферменты ничего не ингибируют, ибо «ускоритель»
    по определению не «тормозит». Любая молекула поглощая фотон и переходя из основного
    в возбужденное состояние и затем обратно не может делать это бесконечно. Она рано или поздно
    развалится. Сему соответствует некое усредненное время жизни в возбужденном состоянии.
    И оно, увы, небольшое. В живой клетке молекулы красителя постоянно синтезируются взамен разрушенных.
    ОтветитьНравится
  • Глухов Константин  7 февраля, 11:21
    если мне память не изменяет, не молекула, а атом, поглощая фотон переходит в возбужденное состояние.
    ОтветитьНравится
  •   7 февраля, 13:56
    Гм,да... Совокупность осцилляторов, молодой человек, тоже осциллятор.
    Подумайте над простым вопросом:
    какой именно атом поглощает фотон в молекуле флуоресцеина
    и какой из них релаксирует в основное состояние с испусканием
    фотона. Зачем то людям понадобилась молекулярная спектроскопия
    до кучи к атомной :-)
    ОтветитьНравится
  • Анатолий Алтухов  7 февраля, 16:17
    Я имел ввиду не ингибирование фермантами разваливание молекулы хролофилла, а то что ферментные системы, которые получают энергию от хлорофилла для последующей передачи ее по электронтранспортной цепи ингибируют распад хлорофилла, благодаря которому он работает не в холостую(поглотил квант — возбудился — испустил квант). Может в живой клетке когда хлорофилл не в холостую работает, то в ней и нет фотообосцвечивания или оно идет не настолько быстро?
    ОтветитьНравится
  •   7 февраля, 20:28
    Жизнь красителя не зависит от того как он будет релаксировать,
    важно событие «поглотил фотон-перешел в возбужденное состояние».
    Что происходит потом (переизлучил, рассеял безизлучательно, etc.) не важно.
    Главное, что в возбужденном состоянии есть
    определенная вероятность разрушения молекулы, и сие ест
    величина фундаментальная.
    ОтветитьНравится
  • Сергей Асташкин  7 февраля, 20:31
    -- "Alexey Shvarev 7 февраля, 20:28
    Жизнь красителя не зависит " ..

    -- ну очень интересно, где это вы прочитали про разрушение молекулы красителей от резонансного кванта .. что-то новенькое ..

    ОтветитьНравится
  • Сергей Асташкин  7 февраля, 20:36
    -- Вот тут кстати и задать вопрос : представляете ли вы как реально работает фотосинтез и что именно и почему разваливается в хлорофилле .. Господи чему там их в ёнтом университете научили .. хоть креститься то могут.. всё кукишем поди ..
    ОтветитьНравится
  •   8 февраля, 04:19
    Гм, улыбнуло. Я о красителях не читаю, я о них скорее, гм, пишу.
    Наивно думать, что проглотившая фотон молекула перейдя в состояние
    с высокой реактивностью будет делать подобное вечно.
    А photobleaching для меня и коллег скорее неприятная реальность.
    ОтветитьНравится
  •   8 февраля, 04:27
    Университет как университет. Санкт-Петербургский Государственный.
    Зачет по молекулярной спектроскопии я сдавал д.х.н. Сайдову в 92м.
    А читал спектрохимический анализ (CH660) с 2005 по 2009 аспирантам
    Oregon State University, в том самом где выучили химии Лайнуса Полинга...
    Спасибо, повеселили...
    ОтветитьНравится
  • Сергей Асташкин  8 февраля, 07:44
    -- Если б они и дальше продолжали в том же духе, было бы хорошо. Хромофоры в органике это сопряжённые двойные связи, гетероатомы в узлах циклов, непредельные полициклы. Они и так не идеально устойчивы. В этих же явлениях -предыдущие взаимодействия нагревают материал от соседних ХФ центров, для органики это критично. (учитывая высокую энергетику (обычно оптических диапазонов — около 2 эВ) квантов.) Можно даже сравнивать это с его местным перегревом. Как никак — 2эВ — это около 10 т  град,, даже перераспределённые на пару циклов — это (скажем 10 атомов) около 1 т град.. Комменты излишни .. Но в хлорофиле в процессе поглощения участвует более 30 атомов , там скорее всего повреждение связано с элхимической частью преобразования ---переносом электрона , который можно сравнить с исключительно активным хим восстановителем...
    Поэтому это явление — разрушение ХФмолекул будет иметь выраженную температурную зависимость , как в кинетической области хим реакций..
    ОтветитьНравится
  • Сергей Асташкин  8 февраля, 10:20
    -- Кстати,здесь природа придумала идеальный перераспределитель энергии — атом металла — у магния и потенциал Mg2+ — Mgo более 2 вольт.. так что устойчивость самих окружающих гетероциклов гарантируется, а атом магния легко может быть восстановлен ..
    ОтветитьНравится
  •   8 февраля, 12:05
    Хорошая трава...
    Я уже дал вам добрых совет перестать п....ь о том
    о чем вы не имеете представления, приближая тепловую смерть Вселенной.
    ОтветитьНравится
  • Сергей Асташкин  8 февраля, 15:09
    -- У меня к вам один вопрос : вы извинитесь за белки и клетки ,где вы просто мне нахамили.. ? Или продолжите традиции местных Брандтов ?
    ОтветитьНравится
  •   8 февраля, 16:34
    О, вопрос всего один, отвечу коротко командой Windows — «send to»
    Там вы изволили п....ть неподелу. Оригинал статьи вам все равно
    был недоступен, подписки у вас нет, ибо судя по флуду человек
    вы праздный, к науке отношения не имеющий.
    Ваш перл «переносом электрона , который можно сравнить с исключительно активным хим восстановителем...»
    подумываю взять шутливым эпиграфом к спецкурсу по
    электрохимии коий здесь в Университете Женевы я начинаю читать с 22го.
    У меня тут студенты и аспиранты сопливые, знаете ли...
    Стыдно, взрослый человек вроде, пойдите займитесь делом.
    ОтветитьНравится
  • Сергей Асташкин  8 февраля, 17:44
    -- Ясно, очереной м-звон .. именно таким там и является электрон, выши курсы засуньте в задницу, они интересуют только студентов, которым , бедным и деваться то некуда. А я электрохимик, дорогой из УНЦ АН и вы сейчас тут начнёте дальше п---ть об электрохимических вопросах ?! Пустой бочонок.. несёте тут вздор, нагло подтасовываете свои же мысли в уста других ..Вот оно- лицо нашей современной унивеситетской братии .. не гнушаюшейся базарными приёмами .. Сказали бред и в кусты.. придётся вас в стихах возвысить .. Вы тут нигде ещё умной мысле не сказали, а только переводами машете, небось переводчик ..был тут у нас один такой ..правда потом исправился .. но вы — негодник.. подленький.. Посмотрим.. Обижать мне вас шибко не хочется , не привык к вашему базару с матами .. думал один грамотный появиться.. так нет, опять юродивый ..
    ОтветитьНравится
  • Сергей Асташкин  8 февраля, 18:10
    -- Нет там такого члена .. в университете ,да бог с вами .. тока не ругайтесь тут матерно .обижу ..
    ОтветитьНравится
  •   8 февраля, 18:12
    :-)))))))
    ОтветитьНравится
  • Сергей Асташкин  8 февраля, 19:03
    -- на « Alexey Shvarev 8 февраля, 16:34
    О, вопрос всего один, отвечу коротко командой Windows — „send to“
    Там вы изволили п....ть неподелу. „
    -- как всякий болтун , вы просто хамите, потому как — что именно там было не по делу — вы сказать не можете .. к тому ж,е ваши отношения с цитологией и генетикой ..ммм как бы помягшее: она вас не знает, вы её в общем тоже .. но вместо знаний у вас запас матерных слов .. так что вы жгёте по полной . фору дадите пожалуй тут многим ..“академик» ..
    ОтветитьНравится
  •   9 февраля, 02:18
    Неужели охота п.....ь дальше? Я же даже не спрашиваю вас о вашем образовании,
    подозреваю имеют место быть
    три класса по коридору и Заборостроительный техникум. А здесь вы п......е поелику в реале
    вы никто, и делать вам нехуй.
    Мой мир — наука и техника, тот самый мир о котором пишет мембрана.
    Я и мои коллеги работаем, каждый, ну или почти каждый день.
    Результаты нашей работы материальны, их можно пощупать, включить,
    прочитать, увидеть.
    Загуглить наконец. Более того, прежде
    чем они (результаты) появятся на свет им приходится пройти жестокий отбор, будь то научная
    статья или новый продукт.
    Если человек чего-то не знает, в этом нет ничего плохого. Но когда некто начинает пиздеть
    о скажем горнолыжном спорте, который он видит даже не по телевизору, а читает Советский Спорт
    в котором пишет тот кто это по телевизору видел, и п.....т, пиздит, пиздит...
    Года два назад еще можно было читать комменты на мембране, но ведь все же засрали, прости Господи.
    Учитесь не пиздеть.
    ссылка на дополнительную литературу по данному вопросу:
    gorchev.lib.ru/txt/by1/nnpizd.shtml
    ОтветитьНравится
  • Сергей Асташкин  9 февраля, 08:15
    -- Куча матов , слов и никакого смысла .. Вы тут начали с переводов и продолжаете матами ..Это и есть ваша работа....
    ОтветитьНравится
  • Генки Умайоши  16 февраля, 23:25
    Так УНЦ РАН уже лет двадцать, как Уральское отделение Академии...
    ОтветитьНравится
  • Сергей Асташкин  17 февраля, 08:36
    -- Да УРО .. и что ?
    ОтветитьНравится
  • Генки Умайоши  18 февраля, 01:14
    Да, в общем, ничего. Просто мы с вами получаемся в некоторой степени земляки -- я в Свердловске учился, на Физтехе УПИ, а вы где? В универе? Или тоже в политехе? Или вы учились не в Свердловске?
    ОтветитьНравится
  • Сергей Асташкин  19 февраля, 06:21
    -- Я в Свердловске работал, учился не в Свердловске.
    ОтветитьНравится
  • Антон Брандт  6 февраля, 21:37
    Какие стремные запутанные пружинки.
    Это и есть бактерии?
    Или это цепи днк из которых бактерию сделали?
    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  6 февраля, 21:39
    Ни то, ни другое. Это белково-хлорофильно-энзимный комплекс.
    ОтветитьНравится
  • Максим Воронов  17 февраля, 08:42
    зелёные- значит съедобные..-)
    ОтветитьНравится
  • Владимир Королёв  7 февраля, 15:52
    Единственный смысл в биофотовольтаике это саморазмножение. Коли больше процента не видать,Но саморазмножение это риск покрыть всю планету солнечными батареями.
    Вот кстати интересно, сколько мощности будет вырабатываться, если всю планету действительно теоретически покрыть батареями?
    Непонятно еще где платину крестьянин найдет. И мне кажется, если ему предложить использовать сено не для корма скота, а для непонятного проекта 1 процентного, он может обидеться и побить нас кулаками.

    Лично я бы лучше сделал автономный на обычных солнечных батареях завод по производству солнечных батарей из песка и хим элементов в пустыне. Интересно окупит ли себя этот завод, при условии, деградирования фото элементов. Видел где-то мужик сделал 3Д принтер из песка на солнечных батареях .

    ОтветитьНравится
  • Владимир Королёв  7 февраля, 15:55
    Ща подумал, что само воспроизводящий себя завод на солнечных батареях в пустыне можно представить как кристаллическую форму жизни 0_0
    ОтветитьНравится
  • Анатолий Алтухов  7 февраля, 20:44
    Ага! Будет размножаться пока песок не кончится! )))
    ОтветитьНравится
  • Евгений Храмцов  8 февраля, 16:05
    Вы, Владимир, сильно заблуждаетесь по поводу крестьян.
    Весь вопрос в окупаемости и рентабельности.
    Говорю это Вам как представитель крестьянского класса. Я являюсь совладельцем кроликофермы. Мое месячное потребление электроэнергии 2000-2500 кВт*ч. Половина потребления приходится на свет(2кВт) и вентиляцию(от 0,8 до 3 кВт).
    Причем, в моем случае совершенно не надо тратиться на аккумуляторы. Достаточно, чтоб свет и вентиляция работали от СБ в течение светового дня.
    У меня имеется под 2000 м2 крыш. Нахожусь на 50ой параллели, а это около 1100 кВт*ч в год на 1м2 солнечной энергии. Т.е. если все крыши покрыть этой «зеленью», то за сутки в среднем можно снимать 60кВт*ч( при кпд 1%). Это даст экономию под 200 баксов в месяц.
    При амортизации до 100 баксов в месяц и окупаемости до года — у каждого крестьянина зазеленеет крыша.
    Учтите, что мы говорим о стране с очень дешевой эл.энергией в сравнение с другими.
    ОтветитьНравится
  • Владимир Королёв  8 февраля, 16:35
    А  лист платины площадью 2000 квадратных метров сколько будет отбиваться?

    У меня знакомые в РФ, все кто хотел поставить ветряк или СБ, не смогли это сделать, потому что не смогли получить разрешение. Монополия государства на электроэнергию дает о себе знать.
    Я в 2010 был в Испании, так они покрыли ветряками большую площадь страны. А у нас я ни разу не видел, может я не ездил по Рублевкам или Барвихам, но хоть убей не припомню, у нас вообще ставят ветряки или СБ? Даже сотовые вышки работают на дизель генераторах.

    ОтветитьНравится
  • Владимир Королёв  8 февраля, 17:29
    При толщине слоя в 10 нанометров, вам понадобится 420 грамм платины, что приблизительно стоит 20 тысяч долларов, только за одну платину. 200 баксов в месяц экономия?
    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  8 февраля, 17:49
    Владимир Королёв

    Это пока опыт. Главное, что из биологической фотосистемы в принципе можно выкачивать ток. А может тут платину можно заменить на что-то более дешёвое? В конце-концов, обычные СБ как-то работают и не стоят безумных денег.

    ОтветитьНравится
  • Сергей Асташкин  8 февраля, 19:09
    -- платину заменить легко, но создать приличную по размеру систему и чтобы работала надёжно ?? Потом органику любит живая органика ..травить будут ? и что ж с экологией буит ? кароче, видится замкнутый круг .. и полупров. — там дадут более 20% ?! без всякой воды и глупостей.. уж если получать ,так многослойные поля для органики .. и получать сразу органику ..коэффициент будет максимальный ..ток пускай получают тем — что эффективнее..
    ОтветитьНравится
  • Евгений Храмцов  8 февраля, 21:52
    Слышал много раз такое. Во-первых, разрешение необходимо только если надо отдавать излишек энергии в сеть. Я на своей земле могу поставить сколько угодно ветряков и сб. И народ в частном порядке ставит без проблем.
    Монополия на электроэнергию означала бы, что нельзя использовать так же дизель-генераторы.
    Да и в Украине с этим вроде нет таких проблем. На крымском полуострове построено уже куча электостанций на ветряках и сб. А так же в херсонской, одесской, донецкой областях.
    ОтветитьНравится
  • Владимир Королёв  8 февраля, 23:12
    отдавая излишек энергии в сеть вы бесплатно получаете недеградируемый аккумулятор в пользование, ведь днем вы в положительном балансе, а ночью наоборот берете ток из сети.

    в украине может нет проблем, а вот назовите мне место где в россии установлено. дизель это продукт нефти, а с нефти тоже дядькам идет бакшиш.

    у нас страна — крупнейший экспортер газа, а в пределах пары сотен км от столицы есть районы без газа.

    ОтветитьНравится
  • Вад Перез  8 февраля, 13:52
    «и это будет уже коммерчески жизнеспособный уровень»—главная фраза всей статьи.
    Всю Амазону пустим на биотопливо, о оставшееся—на электричество...
    Если мне не изменяет память бактерородопсин (тоже вот светочувствительный белок) пытались приспособить для выработки тока еще в Советском Союзе.
    «Природа работает в грязной среде»—о, да.
    ОтветитьНравится
  • Алекс Рамен  10 февраля, 15:42
    Принципиально осуществимый скачок в сфере биоэнернетики произойдёт ещё очень не скоро. Но уже через пару сотен лет будет возможен переход от одного вида энергии к другому. Так получится своеобразный техногенезированный биокомплекс с самовоспроизведением (предпосылка к этому в конце статьи: «Впрочем, есть ещё более яркая идея на отдалённую перспективу — подключать подобные живые генераторы почти напрямую в сеть»). Практически вечный двигатель, о котором человечество так мечтало! Но для его основы нужно будет органическое вещество A-класса, которое способно колоссально увеличивать энергию за счёт света и нанохимикатов.
    К сожалению для одних, и к счастью для других -проект прикроют до нового возобновления...
    ОтветитьНравится