-
Naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego opracowali sposób kontrolowania orientacji fotosystemu PSI, przytwierdzając genetycznie zmodyfikowane cząsteczki tego białka do powierzchni grafenu, co zwiększyło wydajność generowanego prądu trzykrotnie.
-
Do badań wykorzystano zmodyfikowanego genetycznie mikroskopijnego glona Cyanidioschizon merloae, którego fotosystem jest stabilny i trwały poza komórką.
-
Produkcja zielonego prądu przy użyciu naturalnych fotosystemów umożliwia dalsze wykorzystanie energii, m.in. do przetwarzania dwutlenku węgla w paliwa lub biodegradowalne plastiki.
-
Więcej podobnych informacji znajdziesz na stronie głównej serwisu
Czy można wykorzystać biologiczną fotosyntezę do produkcji energii elektrycznej i paliw słonecznych? Od lat naukowcy sprawdzają, czy to możliwe. Pozwoliłoby to na wytwarzanie prądu w sposób nie tylko tani i ekologiczny, ale też niezależny od zewnętrznych źródeł.
Dostawa energii z roślin na nieznaną wcześniej skalę
Fotosynteza zachodzi chloroplastach nazywanych elektrowniami komórek roślin i glonów. W tym miejscu energia światła słonecznego zamieniana jest w cukry, którym żywią się rośliny i pośrednio wszelkie organizmy żyjące na Ziemi.
Mimo ogromnego postępu w fizyce, chemii i inżynierii ludzie nie mogą odtworzyć procesu napędzanego energią słoneczną, w którym z wody i dwutlenku węgla, powszechnie występujących w przyrodzie, powstają złożone cząsteczki organiczne o szerokim zastosowaniu.
Naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego wskazują, że uwagę trzeba skupić na fotosystemie I (PSI), który jest jednym z podstawowych kompleksów białkowych chloroplastu i komórek cyjanobakterii. „Ta nanoskopowa maszyna molekularna odpowiada za pierwszy etap zamiany energii światła w energię elektryczną: po pochłonięciu fotonu inicjuje on uporządkowany i ukierunkowany przepływ elektronów” – mówią naukowcy z UW.
U roślin proces ten zachodzi z wyjątkowo wysoką wydajnością, lecz poza naturalnym środowiskiem już nie jest tak skutecznie. To właśnie ten problem rozwiązał zespół badawczy prof. Joanny Kargul z Centrum Nowych Technologii UW. Opublikowane badania mogą stanowić rewolucję.
PSI traci ułożoną organizację w czasie osadzania na materiałach elektrodowych. W warunkach laboratoryjnych cząsteczki PSI przyłączają się do powierzchni elektrod losowo, co prowadzi do niestabilnego i słabo kontrolowanego przepływu elektronów. Kluczowym wyzwaniem stało się więc takie uporządkowanie PSI, aby jego działanie na elektrodach było przewidywalne, wydajne i powtarzalne
Wyjątkowe doświadczenie polskich naukowców
Naukowcom udało się kontrolować orientację PSI, przytwierdzając genetycznie zmodyfikowane cząsteczki tego białka do powierzchni grafenu. Dzięki temu aż 40 proc. fotosystemów przyłączało się we właściwym ustawieniu. W porównaniu z wcześniejszymi rozwiązaniami przełożyło się to na trzykrotny wzrost wydajności generowanego prądu.
Badacze zrobili coś sprytnego: zmodyfikowali genetycznie mikroskopijny glon ekstremofilny o nazwie Cyanidioschizon merloae. Jego fotosystem jest stabilny, trwały i nie degraduje się łatwo poza komórką. To układ dobrze zbadany, przejrzysty i wyjątkowo stabilny w szerokim zakresie temperatury, natężenia światła i pH.
„Cyanidioschizon ma bardzo mały genom – jego DNA zawiera stosunkowo niewiele genów. Jest zatem idealnym obiektem do modyfikacji genetycznych” – przekazali badacze.
„Po raz pierwszy udało nam się zobaczyć naocznie, na powierzchni grafenu, białko wyłapujące światło widzialne i generujące przepływ elektronów. Czyli nic innego, jak po prostu tzw. zielony prąd. Nikt wcześniej nie zobrazował tego typu białek na powierzchniach elektrodowych. To piękny przykład tego, jak biologia może współdziałać z inżynierią materiałową i zaawansowaną techniką obrazowania w nanoskali” – mówi prof. Joanna Kargul.
Ważnym bohaterem całego badania jest również grafen, który odgrywa coraz większą rolę choćby w medycynie, gdzie robi się z niego np. ultraczułe detektory. Ponieważ cząsteczki grafenu tworzą szczelną sieć – przepuszczają H2O, ale zatrzymują wszelkie inne substancje – produkuje się z niego nowoczesne ekrany filtrujące wodę.
A to tylko niektóre zastosowania. Grafen znajduje się także w ultralekkich osłonach kosmicznych satelitów czy superczułych czujnikach wykrywających skażenie powietrza.
Po co nam jednak grafenowa energia i sztuczne odtwarzanie fotosyntezy, skoro istnieje już krzemowa fotowoltaika, powszechnie uważana za źródło czystego prądu?
„Zalety grafenu są bardzo proste. Przede wszystkim, technologia krzemowa jest prawie całkowicie skomercjalizowana przez Chiny. Jeśli chcemy być od tego niezależni, to musimy wymyślić coś własnego. W takim tworzeniu alternatywnych technologii energetycznych jesteśmy zresztą w Polsce i Europie bardzo dobrzy” – mówi prof. Kargul.
Produkcja tzw. zielonego prądu przy użyciu naturalnych fotosystemów to dopiero pierwszy krok, podsumowują swoje testy naukowcy. Tę „zieloną energię” można wykorzystać dalej – na przykład do przetwarzania dwutlenku węgla w przyjazne środowisku paliwa lub biodegradowalne plastiki.
