Физика, фотосинтез и солнечные элементы

Натан Габор занимается экспериментальной физикой конденсированного состояния и использует свет для исследования фундаментальных законов квантовой механики. Но он заинтересовался фотосинтезом, когда в 2010 году ему в голову пришел вопрос: почему растения зеленые? Вскоре он обнаружил, что на самом деле никто не знает.В течение последних шести лет он стремился помочь изменить это, объединив свои знания в области физики с глубоким погружением в биологию.

Он намеревался переосмыслить преобразование солнечной энергии, задав вопрос: можем ли мы сделать материалы для солнечных элементов, которые более эффективно поглощают колеблющееся количество энергии солнца. Для этого эволюционировали растения, но современные доступные солнечные элементы, эффективность которых в лучшем случае составляет 20 процентов, не контролируют эти внезапные изменения в солнечной энергии, сказал Габор. Это приводит к большим потерям энергии и помогает предотвратить широкое распространение солнечных элементов в качестве источника энергии.

Габор и несколько других физиков из Калифорнийского университета в Риверсайде решили эту проблему, разработав новый тип фотоэлемента с квантовым тепловым двигателем, который помогает управлять потоком энергии в солнечных элементах. Конструкция включает фотоэлемент теплового двигателя, который поглощает фотоны от солнца и преобразует энергию фотонов в электричество.

Удивительно, но исследователи обнаружили, что фотоэлемент квантового теплового двигателя может регулировать преобразование солнечной энергии, не требуя активной обратной связи или механизмов адаптивного управления. В обычных фотоэлектрических технологиях, которые сегодня используются на крышах домов и солнечных электростанциях, колебания солнечной энергии должны подавляться преобразователями напряжения и контроллерами обратной связи, что резко снижает общую эффективность.

Целью команды UC Riverside было разработать простейший фотоэлемент, который соответствовал бы количеству солнечной энергии от солнца как можно ближе к средней потребляемой мощности и подавил колебания энергии, чтобы избежать накопления избыточной энергии.

Исследователи сравнили две простейшие системы квантово-механических фотоэлементов: в одной фотоэлемент поглощает свет только одного цвета, а в другой фотоэлемент поглощает два цвета. Они обнаружили, что за счет простого включения двух каналов поглощения фотонов, а не только одного, регулирование потока энергии происходит естественным образом внутри фотоэлемента.

Основной принцип работы заключается в том, что один канал поглощает на длине волны, для которой средняя входная мощность высока, а другой — при низкой мощности. Фотоэлемент переключается между высокой и низкой мощностью для преобразования различных уровней солнечной энергии в установившийся выход.

Когда команда Габора применила эти простые модели к измеренному солнечному спектру на поверхности Земли, они обнаружили, что поглощение зеленого света, наиболее излучаемой части спектра солнечной энергии на единицу длины волны, не дает никаких регулирующих преимуществ, и поэтому его следует избегать. Они систематически оптимизировали параметры фотоэлементов, чтобы уменьшить колебания солнечной энергии, и обнаружили, что спектр поглощения выглядит почти идентичным спектру поглощения, наблюдаемому у фотосинтезирующих зеленых растений.

Полученные данные побудили исследователей предположить, что естественное регулирование энергии, обнаруженное ими в фотоэлементе квантового теплового двигателя, может играть решающую роль в фотосинтезе у растений, что, возможно, объясняет преобладание зеленых растений на Земле.Другие исследователи недавно обнаружили, что некоторые молекулярные структуры в растениях, в том числе молекулы хлорофиллов a и b, могут иметь решающее значение для предотвращения накопления в растениях избыточной энергии, которая могла бы их убить.

Исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде обнаружили, что молекулярная структура изученного ими фотоэлемента квантового теплового двигателя очень похожа на структуру фотосинтетических молекул, которые включают пары хлорофилла.Гипотеза, выдвинутая Габором и его командой, является первой, связывающей квантово-механическую структуру с зеленью растений, и предоставляет четкий набор тестов для исследователей, стремящихся проверить естественное регулирование.

Не менее важно то, что их конструкция позволяет регулировать без активного входа, что стало возможным благодаря квантово-механической структуре фотоэлемента.


Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *