Fotovoltaik mencadangkan fotosintesis

Perbandingan kecekapan pertama sistem semula jadi dan teknikal dengan hasil mengejutkan

Apa yang lebih berkesan: tumbuh-tumbuhan atau elektrolisis fotokimia? © Bob Blankenship
membaca dengan kuat

Siapa yang lebih berkesan dalam menggunakan tenaga suria: tumbuhan dengan fotosintesis atau fotovoltaik mereka? Jawapan yang luar biasa adalah satu kajian yang baru saja diterbitkan dalam "Sains": Kerana tumbuhan dari perlindungan diri dengan cepat mengurangkan hasil tenaga mereka, fotovoltaik berada di depan. Para saintis juga menunjukkan pelbagai kemungkinan untuk mengoptimumkan fotosintesis dan fotovoltaik.

Tumbuhan biasanya dianggap berkesan sebagai "transduser ringan": melalui fotosintesis, mereka mengubah tenaga cahaya matahari menjadi tenaga kimia dalam bentuk gula dan sebatian organik kompleks. Langkah utama di sini adalah pembebasan elektron dari air dan pemindahannya ke karbon dioksida. Malah photovoltaic melepaskan elektron, tetapi tidak membina semula mereka, tetapi menggunakannya secara langsung sebagai elektrik. Oleh itu, kedua-dua proses menghasilkan tenaga dari cahaya matahari, tetapi dalam cara yang berbeza. Itulah yang menjadikannya sukar untuk dibandingkan.

Elektrolisis fotokimia dan fotosintesis berbanding

Suatu pasukan penyelidik Amerika diselidiki telah mencuba ini - dengan hasil yang mengejutkan. "Ternyata kami tahu banyak, tetapi pengetahuan kami wujud dalam dua alam yang berbeza, " jelas Robert Blankenship dari Washington University di St. Louis dan salah satu pemula projek itu. Halangan pertama adalah definisi keberkesanan untuk kedua-dua bentuk penggunaan cahaya matahari. Kerana sementara tumbuh-tumbuhan menukar tenaga suria ke dalam pakej bahan api yang berguna dalam bentuk molekul organik, fotovoltaik biasa hanya melengkapkan langkah pertama, penukaran tenaga kepada elektron teruja.

Tepat untuk sebab ini, para penyelidik tidak menganggap photovoltaics sebagai proses perbandingan, tetapi gabungan sel suria dengan elektrolisis, proses yang menggunakan elektrik untuk memecah air menjadi hidrogen dan oksigen. Tenaga yang diperlukan adalah pada dasarnya sama dengan tanaman yang diperlukan untuk menghasilkan molekul organik.

Fotovoltan lebih berkesan daripada fotosintesis

Hasil dari perbandingan ini secara bertentangan menentang ide-ide semasa: Walaupun kecekapan purata elektrolisis fotovoltaik adalah sekitar sepuluh peratus, tumbuh-tumbuhan lebih buruk. Hanya sekitar satu peratus, dan maksimum dua hingga empat peratus tenaga solar menukar fotosintesis ke dalam tenaga kimia. paparan

"Saya mempunyai slaid dengan foto ladang jagung dan sebilangan besar sel suria. Apabila saya memberikan kuliah, saya sering bertanya kepada penonton yang lebih cekap, jelas Blankenship. "Tanpa pengecualian, orang ramai memilih fotosintesis oleh majoriti besar." Tetapi ini jelas merupakan kesilapan, kerana kajian itu mengesahkan.

{2r}

Tumbuhan: ketepuan sebagai perlindungan diri

Sebab bagi kecekapan rendah fotosintesis tumbuhan adalah perlindungan diri: bertanggungjawab untuk transformasi cahaya adalah pigmen khusus yang menjerat tenaga dan mengangkutnya ke pusat tindak balas, di mana ia berubah secara kimia. Namun, pada penuh matahari, keupayaan alat ini cepat habis, tenaga lebihan sekarang akan mencetuskan proses yang tidak diingini. Untuk mengelakkan produk sampingan beracun yang boleh merosakkan atau membunuh kilang itu, ia mesti melepaskan sehingga 80 peratus daripada tenaga yang diserap yang tidak digunakan dalam daun cium matahari sepenuhnya.

Jika anda melihat grafik keamatan cahaya berbanding pengeluaran tenaga, garis photovoltaic sepenuhnya linear. Apabila anda meletakkan dua kali lebih banyak cahaya, anda juga mendapat dua kali lebih banyak tenaga, "kata Blankenship. Sistem fotosintesis bermula linear, tetapi kemudian membungkuk dengan cepat dan jenuh. Akibatnya, kecekapan tumbuhan berubah pada siang hari: ia bermula dengan tahap kecekapan yang tinggi pada waktu pagi, tetapi pada waktu tengah hari mereka tepu dan membuang sebahagian besar tenaga.

Keuntungan kecekapan dalam konteks ini jelas masuk ke fotovoltaik. Tetapi seperti yang jelas adalah hakikat bahawa kita mesti menggunakannya untuk transformasi tenaga yang mampan masa depan, menurut penyelidik dalam "Sains". Para saintis mencadangkan beberapa cara di mana kelebihan satu sistem boleh digunakan untuk mengoptimumkan yang lain.

Pilihan pengoptimuman untuk kedua-dua sistem

Sebagai contoh, Arthur J. Nozik dari Laboratorium Tenaga Boleh Diperbaharui Nasional (NREL) dan rakan-rakannya percaya bahawa menggunakan gelombang cahaya yang berlainan berdampingan dapat memberikan kecekapan photovoltaic hingga 40 persen. Oleh itu, semikonduktor yang berbeza dan / atau molekul organik fotoaktif khas harus digunakan serentak dalam satu sel. "Dalam photovoltaics, kita tahu bahawa penukaran itu boleh diperbaiki dengan menggunakan jurang band berbeza warna dalam susunan tandem, " jelas Nozik. Kemudian mereka boleh menggunakan bahagian-bahagian spektrum solar yang lebih cekap

Walau bagaimanapun, pada masa akan datang, para penyelidik juga akan melihat potensi pengoptimalan dari segi fotosintesis, contohnya melalui biologi sintetik, di mana tumbuhan buatan khusus hampir "dibina" dari awal. Contohnya, "pengumpul cahaya" berasaskan tumbuhan boleh dibangunkan yang juga mengandungi jurang band yang dioptimumkan dan pigmen yang dioptimumkan. Satu cadangan melibatkan penyepaduan pigmen biru-hijau dalam tumbuhan daratan. Memandangkan alga mengambil kesempatan daripada jarak cahaya yang berlainan, satu "fotosintesis tandem" dapat dicapai.

Ini masih merupakan mimpi masa depan, tetapi dengan mengenal pasti blok kecekapan dalam fotovoltan dan fotosintesis, para penyelidik sekurang-kurangnya telah meningkatkan pintu untuk penyelidikan mendalam dan mendalam tentang cara-cara penggunaan tenaga suria yang lebih berkesan Bentuk tenaga yang wujud di bumi. (Sains, 2011, DOI: 10.1126 / sains.1200165)

(Sains, University of Arizona, DOE / NREL, 13.05.2011 - NPO)