Учёные из Стэнфорда обнаружили электрический ток, производимый растениями

Впервые учёные из Стэнфорда подключились к клеткам водорослей и собрали крошечный электрический ток. Они обнаружили его в самом источнике производства энергии — в процессе фотосинтеза, с помощью которого растения преобразуют солнечный свет в химическую энергию. По словам исследователей, это может быть первым шагом к созданию «высокоэффективной» биоэлектрической энергии, которая не выделяет углекислый газ в качестве побочного продукта.

«Мы считаем, что мы первые, кому удалось извлечь электроны из живых растительных клеток», — заявил Вонхён Рю, ведущий автор статьи, опубликованной в мартовском номере журнала Nano Letters.

Команда разработала уникальный сверхострый наноэлектрод из золота, специально предназначенный для проникновения внутрь клеток. Они аккуратно ввели его через мембраны клеток водорослей, которые герметично облепили электрод, и клетка осталась живой. Из фотосинтезирующих клеток электрод собирал электроны, возбуждённые светом, что позволило исследователям получить небольшой электрический ток.

Как это работает

В процессе фотосинтеза в хлоропластах вода расщепляется на кислород, протоны и электроны. Солнечный свет возбуждает электроны до высокого энергетического уровня, после чего их захватывает белок, и энергия электронов используется для синтеза сахаров.

В этом эксперименте исследователи перехватили электроны сразу после их возбуждения светом, когда они находились на пике энергии. Золотые электроды, помещённые в хлоропласты, отводили эти электроны для генерации тока.

Преимущества и текущие ограничения

Результатом является производство электроэнергии, которое не выбрасывает углерод в атмосферу. Единственные побочные продукты — протоны и кислород.

Однако, с каждого удалось собрать всего один пикоампер. Чтобы накопить энергию, сравнимую с зарядом одной батарейки AA, потребовался бы триллион клеток, работающих в течение часа. Кроме того, клетки погибают через час после начала эксперимента. Это может быть связано с микропротечками в мембране или потерей энергии, необходимой для жизненных процессов клетки.

Эффективность и перспективы

Прямой сбор электронов в этом исследовании показал эффективность около 20%, что уже выше, чем сжигание биотоплива (3–6% от доступной солнечной энергии). Теоретически эта эффективность может достичь 100%. Для сравнения, фотоэлектрические солнечные элементы сегодня имеют КПД 20–40%.

Следующими шагами могут стать использование растений с более крупными хлоропластами, усовершенствование электродов для сбора большего числа электронов и увеличение продолжительности жизни клеток для масштабирования процесса.