Kvantová mechanika s fotosyntézou přinesou skvělé solární články

Když to umějí rostliny, tak se to snad naučíme taky. Vědci pracují na tom, aby nám kvantová mechanika s fotosyntézou vyráběly elektřinu.

Uvnitř laboratoře Optoelektroniky kvantových materiálů. Kredit: Max Grossnickle, QMO Lab.

Fyzika a biologie k sobě mívají docela daleko. Někdy se dokonce jeden druhého tak trochu bojí. Když se ale dají dohromady, a poslední dobou k tomu dochází, tak to může mít ohromující výsledky. Nathan Gabor je experimentální fyzik z Kalifornské univerzity v Riverside, který si hraje s kvantovou mechanikou ve své laboratoři Optoelektroniky kvantových materiálů (QMO Lab). Někdy v roce 2010 si ale položil záludnou otázku – proč jsou vlastně rostliny zelené?

Nathan Gabor uprostřed svých kolegů. Kredit: QMO Lab.

Když si badatelé kladou podobně naivní, na první pohled zcela jednoduché otázky, tak se pak většinou nestačí divit. Gabor samozřejmě brzy zjistil, že nikdo vlastně netuší, proč jsou rostliny zelené, když pomineme jednoduchou odpověď, že odrážejí zelené světlo. Proč je to právě zelené světlo? Od té doby se Gabor stal i odborníkem na fotosyntézu. Jeho zájem přitom nebyl jenom teoretický, ale své zkušenosti se snažil využít velmi praktickým způsobem – vylepšením stávajících solárních článků. Se solární energií je potíž v tom, že její přísun výrazně kolísá, často i během krátké doby. Rostliny mají mechanismy, jak se s tím vyrovnat, i když ani ty nejsou dokonalé. Cenově dostupné solární články, jejichž účinnost je v nejlepším případě 20 procent, to nijak zvlášť nezvládají. S náhlými změny solární energie si neporadí. Má to rozsáhlé důsledky, především velké plýtvání energií.

Kvantová mechanika zkřížená s fotosyntézou. Kredit: Nathaniel Gabor & Tamar Melen, QMO Lab.

Gabor a jeho tým se to rozhodli řešit pozoruhodnou nanotechnologií, novým typem fotorezistoru s kvantovým tepelným motorem (quantum heat engine photocell), s jehož pomocí lze manipulovat proudění energie v solárních článcích. Fotorezistor s tepelným motorem absorbuje fotony slunečního záření a převádí energii fotonů na elektrickou energii. Badatelé přitom zjistili, že fotorezistor s kvantovým tepelným motorem může tento proces regulovat, aniž by k tomu potřeboval aktivní zpětnou vazbu anebo adaptivní kontrolní mechanismy. To se rozhodně nedá říct o dnešní fotovoltaice. Solární panely na střechách domů nebo v solárních farmách musejí být vybaveny měniči napětí a dalšími prvky, které řeší kolísání přísunu solární energie, a které dramaticky snižují celkovou účinnost solárních článků.

QMO Lab.

Gaborův tým se snažil vymyslet co nejjednodušší design solárního fotorezistoru, který by zvládal pasivně tlumit výkyvy solární energie. Vědci si s tím pohráli, modelovali na počítačích, optimalizovali, a nakonec zjistili, že absorpční spektrum vyladěného fotorezistoru pro solární články, který nejlépe zvládá kolísání dopadajícího záření, je prakticky totožný s absorpčním spektrem zelených rostlin. Není to žádná ostuda, může nás hřát u srdce to, že jsme skoro tak dobří, jak slepé, ale nesmírně účinné mechanismy přírodního výběru. Vědci při tom zjistili, řekněme metodou pokus-omyl, že při absorpci zeleného světla, které vlastně představuje nejvíce intenzivní část spektra viditelného záření Slunce, pasivní regulace změn záření pomocí zmíněného mechanismu nefunguje. Tohle by mohla být zajímavá odpověď na otázku, proč rostliny zdánlivě cennou složku záření viditelného světla odrážejí, a jsou tudíž zelené.

Gabor a jeho kolegové prohlásili, že takový mechanismus regulace energie, který nakonec vyladili ve fotorezistoru s kvantovým tepelným motorem, by mohl hrát zásadní roli ve fotosyntéze. A výzkum z poslední doby to potvrzuje. Evoluce vymyslela hodně dobrý design. Když ho dokážeme napodobit, a využijeme ho v solární energetice, tak to bude velký technologický skok kupředu.

Literatura
UC Riverside 30. 11. 2016, Nano Letters online 10. 11. 2016.

Autor: Stanislav Mihulka

Datum: 03.12.2016

Tisk článku

Související články:

Hacknutí fotosyntézy pro záchranu lidstva Autor: Stanislav Mihulka (27.09.2014)
Je zelené světlo pro rostliny neužitečné? Autor: Václav Diopan (19.06.2016)

Diskuze:

krystalický a polykrystalický křemík

Stanislav Florian,2016-12-04 19:05:37

Kdysi se psalo, že účinnost fotovoltaiky s krystalickým křemíkem je vyšší, ale je to drahé. Hlavní směr vývoje fotovoltaiky bych stále očekával u vnitřní struktury článků směrem k mikrokrystalickému až nanokrystalům křemíku. Prostě k nějaké placaté formě typu grafen, grafyn, silen, fosfen.
Fotovoltaika bude makat za slunečního světla, problému s akumulací elektřiny se dá těžko vyhnout.
Naše louky ukazují, že fotovoltaika nezvládá ani tak primitivní záležitost jako je natočení panelu kolmo k vycházejícímu a zapadajícímu slunci a šikmo k nadměrnému záření v poledne, které vede k přehřátí a snížení účinnosti.
článek :
"při absorpci zeleného světla, které vlastně představuje nejvíce intenzivní část spektra viditelného záření Slunce"
http://www.czrea.org/files/images/OZE/FV_slunecni_spektrum.jpg
Zdá se, že největší počet fotonů je ve žluté oblasti, asi proto je Slunce vizuálně žluté.
http://www.treking.cz/astronomie/slunce-spektrum.gif ( = http://images.slideplayer.cz/11/3104490/slides/slide_7.jpg)
Graf energie slunečního záření [W/m2nm] podle vlnové délky a energie má relativně ploché maximum (při hladině moře) pro oblast řekněme 500-600 nm, tedy převážně v zelené oblasti.