Экспериментальная модель воспроизводит механизм фотосинтеза зелёных серных бактерий

Исследователи из Массачусетского технологического института (США) задались вопросом о пределе производительности систем, преобразующих солнечную энергию в электрическую. Источником вдохновения для их экспериментов стали зелёные серные бактерии

…Процветающие в воде с температурой более 100 ˚С, которая поступает из горячих гидротермальных источников на морском дне. Фотосинтез, несмотря на то что они являются анаэробами, для них тоже характерен, но участвуют в нём бактериохлорофиллы c, d или e (придают бактериям окраску), однако кислород не выделяют.

В качестве донора электронов бактерии используют не воду, а FeO, ионы сульфидов и водород. Самое интересное то, на какой глубине они занимаются фотосинтезом. Отдельные виды обнаружены на глубинах в 2 500 метров: солнечного света там в значимых количествах нет. Разве что слабо светятся (нагрев) окрестности чёрных курильщиков. Вот это-то и питает зелёные серные бактерии. Сила такого «света» сравнима с освещённостью поверхности Земли в лунную ночь или, скажем, дна юпитерианской атмосферы тамошним днём.

Теперь вы понимаете, что КПД у них не может быть низким. Теоретическое ограничение эффективности фотоэлементов (54–55%) им также незнакомо, поэтому, согласно нынешним оценкам, они преобразуют свет с эффективностью в 98%. Сразу поясним: если бы нынешние массовые фотоэлементы были способны на нечто подобное, США вряд ли нуждались бы в таких экологически сомнительных источниках энергии, как сланцевый газ, да и японцы не перезапускали бы свои несчастные АЭС через год с небольшим после Фукусимы.

Зелёные серные бактерии доминируют не только на километровых глубинах: в некоторых геотермальные источниках Йеллоустонского парка их цвет тоже преобладает. (Фото MIT.)
Зелёные серные бактерии доминируют не только на километровых глубинах: в некоторых геотермальные источниках Йеллоустонского парка их цвет тоже преобладает. (Фото MIT.)

Сейчас компании, производящие фотоэлементы, счастливы, если их образцам удаётся добиться 20% КПД. 1% на таком фоне кажется серьёзным прогрессом. Как легко догадаться, успешность бактерии, умудряющейся заняться фотосинтезом без солнечного света, кажется вызовом, и не ответить на него исследователи из МТИ просто не могли. И у них, похоже, есть результат.

Учёные создали искусственную систему, моделирующую процесс захвата света такой бактерией. По их мнению, если всё получится, это может полностью изменить облик нынешней солнечной энергетики. В созданной экспериментальной модели используются самособирающиеся системы молекул красителей, формирующих при самосборке двухслойные нанотрубки диаметром в 10 нм и длиной в десятки мкм.

Как видим, размер и форма зелёных серных бактерий довольно близки к оригинальным, а как с функциональностью? Теоретически используемые красители функционируют подобно бактериохлорофиллам — по механизму, сходному с ячейкой Гретцеля. А базируются они на цианине — синем красителе, который не так сложен «в эксплуатации», как бактериохлорофилл. Однако исследователи не ставили целью сразу добиться высокого КПД: важно было понять механизм захвата света зелёными серными бактериями.

Как говорят авторы работы, двухслойные нанотрубки представляют собой систему, в которой внешний и внутренний слои слабо связаны между собой, и электронный транспорт, играющий ключевую роль в фотосинтезе обычных растений, находится на вторых ролях. Первичным же механизмом взаимодействия является экситонный.

Экситон — это квазичастица, представляющая собой электронное возбуждение, мигрирующее по веществу и не связанное с переносом электрического заряда и массы. Такой способ взаимодействия при некоторых условиях, согласно героям заметки, может оказаться более эффективным (менее затратным энергетически), чем стандартный электронный транспорт, применяемый теми же высшими растениями. Весьма важно, что в ходе эксперимента впервые удалось создать систему, способную вырабатывать энергию по столь необычному и многообещающему механизму. Для изучения пределов эффективности в ближайшее время будет построено ещё несколько экспериментальных установок такого рода.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Chemistry.

Подготовлено по материалам MIT News.



Коды для вставки в блог\форум



Вспомним другие новости из этого раздела?


Наука и техника

←+Ctrl+→

Интересные новости
Рада приняла в первом чтении закон об открытии частного рынка космоса в Украине
Найдены угри с самым мощным электрическим ударом в миреНайдены угри с самым мощным электрическим ударом в мире
Ученые рассказали об объекте, врезавшемся в Юпитер в августеУченые рассказали об объекте, врезавшемся в Юпитер в августе
В ООН предупредили о возможном затоплении мегаполисовВ ООН предупредили о возможном затоплении мегаполисов
NASA отправит на орбиту будущей окололунной станции небольшой спутникNASA отправит на орбиту будущей окололунной станции небольшой спутник
Блок рекламы


Похожие новости

Новый метод 3D-печати изготавливает модель целиком, а не послойноНовый метод 3D-печати изготавливает модель целиком, а не послойно
До Большого взрыва время не существовало: удивительная модель ВселеннойДо Большого взрыва время не существовало: удивительная модель Вселенной
Ученые нашли более шести тысяч генов бактерий кишечника, устойчивых к антибиотикамУченые нашли более шести тысяч генов бактерий кишечника, устойчивых к антибиотикам
В воде на Марсе нашли достаточно кислорода для бактерийВ воде на Марсе нашли достаточно кислорода для бактерий
Антропологи представили модель «идеальной» женщиныАнтропологи представили модель «идеальной» женщины
Сверхточная модель мозга пациента, сделанная на 3D-принтере
Ученые построили модель развития экзоцивилизацииУченые построили модель развития экзоцивилизации
У бактерий обнаружили новую форму «памяти»У бактерий обнаружили новую форму «памяти»
Нобелевскую премию по медицине присудили трем ученым за открытие молекулярных механизмовНобелевскую премию по медицине присудили трем ученым за открытие молекулярных механизмов
Найден механизм полного уничтожения ЗемлиНайден механизм полного уничтожения Земли
Последние новости

Подгружаем последние новости