Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi teadlased on konstrueerinud miniatuurse päiksepaneeli, mis on suuteline päikesekiirguse poolt kahjustada saades iseennast parandama.
Kuigi taimed pole just eriti head päikesevalguse energiaks muundajad, nende maksimaalne efektiivsus jääb 26·% piirile, on neil inimeste poolt konstrueeritud päikesepaneelide ees üks suur eelis. Nimelt suudavad fotosünteesi eest vastutavad rakud päikesekiirguse poolt kahjustada saades iseennast parandada. Seevastu MIT teadlaste uuringu kohaselt langeb mitmetes uutes räni mitte kasutavates fotogalvaanilistes elementides päikesevalguse poolt tehtud kahju tõttu kuni 10·% nende algsest efektiivsusest.
Töörühma poolt ehitatud testelement iseorganiseeruva fotosünteetilise süsteemi omaduste uurimiseks. Foto: Patrick Gillooly, MIT
Samamoodi väliselt muutumatutena näivates puulehtedes toimub mikroskoopilisel tasandil aga pidev lagunevate valkude ümbertöötlemine, mis kindlustab taimele stabiilse energiavoo. Nüüd usub Michael Stravo juhitud MIT töörühm, et nad on saavutanud midagi samalaadset, luues päikeseelemendi, kus sünteetiline iseorganiseeruv kloroplast on võimeline ennast 45 minutiga uuesti üles ehitama.
Strano päikesepatarei hõlmab endas sünteetilist seitset lahuses olevat komponenti, kus elektrokeemilisteks vahendajateks on raudtsüaniid ja koeensüüm Q10. Viimased aitavad elektrone päikeseelemendi elektroodidele ning sealt ära kanda. Kompleks ise koosneb päikesevalgust püüdvatest proteiinidest, üheseinalistest nanotorudest ja kettakujulistest lipiididest ehk rasvadest.
Kasutatavates proteiinides, mis isoleeriti lillakalt bakterilt Rhodobacter sphaeroides, asub valguse poolt tekitava reaktsiooni kese. Kui seda päikesekiirgusega valgustada, tekib kiirte energia tõttu elektroni-augu paar – eksiton. Eksiton liigub seejärel reaktsiooni keskmest ära ning laguneb lõpuks tagasi elektronideks ja aukudeks. Nanotorud käituvad juhtmetena ning kannavad laengu minema.
Nanojuhtmetel on ka toestav ülesanne – nimelt kinnituvad lipiidid, millel reaktsiooni kese on, iseeneslikult torude külge, mis tagab korrapärase struktuuri. Strano süsteemi kohaselt lisatakse aegajalt elemendile lipiide lahustavaid surfatante, mis põhjustavad kompleksi lagunemise. Lahust saab seejärel membraani abil filtreerida ning surfatandid kõrvaldada, misjärel tekivad energiat muundavad rakud taas spontaanselt. Uuesti tekkivad rakud kasutavad ehitusmaterjalina ära ka kahjustada saanud valgud.
Töörühma inspireerisid sellist lähenemisviisi proovima taimed, mis kasutavad energia saamiseks fotosünteesi. Kui päikesevalgus kloroplastides proteiine kahjustab, hakkavad molekulid ümbergrupeeruma, et fotosünteesi uuesti alustada.
Kuigi Strano töörühma poolt loodud päikeseelement pidi aegajalt läbima parandustöid ning elektrit ei toodetud jätkuvalt, kasvatas protsess energeetilist efektiivsust 300·%. Töörühm arvab, et täismõõdus prototüübis saavutatakse efektiivsuseks umbes 40·% ning teadlased loodavad selle valmis ehitada järgmise kahe kuni kolme aasta jooksul.
Seni parima päikesepaneeli efektiivsuseks hinnatakse 40,7·%, ent Stravo rõhutas, et mitte keegi ei ole seda pikema ajaliselt laborist väljaspool katsetanud. Tavaliste kaubanduses liikuvate päikesepaneelide vastav näitaja ei ületa 20%.
Töörühma uurimus ilmus ajakirjas Nature Chemistry 5.septembril.
Loe lisaks:
MIT: “Solar cell, heal thyself.“