Многое о энергопроизводстве мы могли бы узнать у растений, которые неустанно, в течение миллионов лет, превращали воду и солнечный свет в экологически чистую энергию. Недавно инженерам Кембриджского университета удалось по-новому сымитировать фотосинтез с помощью искусственных листьев, в которых в роли топлива выступают электроны водорослей. Заявляется, что новое изобретение в пять раз эффективнее существующих аналогов, при этом намного дешевле в производстве и проще в использовании.
Во время фотосинтеза, водоросли производят электроны в своих клетках, часть из которых выходят за ее пределы, где и «собираются» с помощью специальных устройств. Топливные элементы, построенные по этому принципу, часто называют биофотогальваническими элементами (BPV). Они генерируют энергию за счёт двух основных процессов: накопление (улавливание лучей света для производства электронов) и передача электричества.
В большинстве топливных элементов на основе водорослей, эти процессы происходят в одном отделении. Учёные из Кембриджа поняли, что они могут повысить эффективность устройства если разделить их.
«Накопление и перенос электроэнергии часто имеют противоречивые требования, - говорит Кади Лиис Саар, ведущий автор исследования. - Например, накопительное устройство должно подвергаться воздействию солнечных лучей для максимальной эффективности, в то время как для передачи энергии этого не требуется».
В итоге команда ученых разработала устройство с двумя камерами, первая их которых обеспечивает необходимые условия для производства электроэнергии с наибольшим КПД, а вторая – позволяет сохранять энергию для последующего использования, например, после заката солнца.
«Разделение процессов накопления и передачи электричества означало, что у нас получится повысить производительность девайса за счёт уменьшения его компонентов, - говорит Туомас Ноулз, соавтор исследования. - В микромасштабах жидкости ведут себя иначе, что позволило нам создать более эффективные элементы, которые обладают низким внутренним сопротивлением и меньшими электрическими потерями».
Исследователи смогли добиться ещё большей эффективности и уменьшения потерь электронов в процессе фотосинтеза за счет генетически модифицированных водорослей. Новый прототип получил энергетическую плотность 0,5 Вт/м2, что в пять раз больше, чем в предыдущем проекте команды.
Это достаточно низкое значение по сравнению с другими фотогальваническими элементами, но устройство на основе водорослей является более зелёной альтернативой (во всех смыслах). Их производство проще и дешевле, что перспективно для использования в развивающихся странах.
