Биофизик работает над созданием биовдохновлённой солнечной батареи
Даже лучшая созданная человеком солнечная батарея по сравнению с эффективностью скромного листа — это неуклюжий модем с коммутируемым доступом против высокоскоростного соединения. У растений было около миллиарда лет, чтобы отточить процесс фотосинтеза, использующий энергию солнца для превращения углекислого газа и воды в глюкозу (топливо для растения) и кислород.
«Если вы посветите на искусственную солнечную батарею, только около 10% этого света превратится в электричество, — говорит биофизик Гари Хастингс. — В растениях почти весь поглощённый свет преобразуется в химическую энергию. Вопрос в том, как растения достигают такого уровня эффективности?»
Исследования Хастингса сосредоточены на деталях фотосинтеза. Его высокая эффективность отчасти объясняется невероятной скоростью процесса. Свет попадает на светопоглощающий пигмент — хлорофилл — который возбуждает электрон, заставляя его пересекать мембрану клетки за миллиардные доли секунды. Электрон движется по цепочке специально расположенных пигментов, эволюционно настроенных как односторонний путь. В искусственных системах электрон может легко вернуться обратно через мембрану, теряя энергию и снижая эффективность.
Хастингс использует инфракрасную спектроскопию, чтобы понять эту и другие сложные реакции фотосинтеза. В конце 2017 года он получил двухлетний грант в $400 000 от Управления фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США. Эта работа может привести к созданию улучшенных искусственных солнечных элементов.
В своей лаборатории он изучает, как замена пигментов хлорофилла на другие, с иной структурой, изменит скорость движения электронов через мембрану. Но вместо зелёных растений Хастингс исследует фотосинтез у цианобактерий (сине-зелёных водорослей). У них такой же механизм преобразования солнечной энергии, как у растений, но с ними проще работать.
«Очистка растительного материала сложна, — говорит Хастингс, — и генетически модифицировать цианобактерии намного проще, чем клетки растений».
Он также изучает, как сине-зелёные водоросли могут помочь в других процессах, например, в производстве биотоплива. Растущие клетки водорослей производят липиды, которые можно извлечь и превратить в дизельное топливо.
«Итак, вопрос в том, как мы можем разработать методы, приводящие к сверхпроизводству этих липидов».
Ещё одно потенциальное применение его работы — прогнозирование опасных цветений водорослей, бесконтрольно размножающихся колоний, которые становятся всё более распространёнными в США.
«Зелёная слизь, которую вы видите на прудах и водных путях, — это огромное скопление водорослей, — говорит Хастингс. — Их называют опасными, потому что они могут быть токсичны для животных, пьющих воду, и негативно влиять на здоровье человека. Наша цель — отслеживать цветение водорослей с помощью спектроскопии, а затем создавать технологии для прогнозирования их повторного появления».