Kaip kvantiniai saulės elementai pateikė atsakymą į seną mįslę apie augalus

Saulės energijos didžioji problema – nepastovumas: metų laikai, naktis ir debesys nuolat keičia į SE krentančios šviesos kiekį. Todėl reikia nuolatos reguliuoti jų galią, idant tinklai neiškeptų saulėtą dieną ir kaskart nemirgėtų, praslenkant debesėliui. O tai neigiamai atsiliepia elementų efektyvumui.

Tas pačias problemas turi spręsti ir augalai. Kitaip nei saulės elementai, augalai gali reguliuoti gaunamos šviesos lygį, išsklaidydami dalį šviesos kaip šilumą. Bet, pasirodo, svarbi gali būti ir augalų žalia spalva.

Nathan Gabor iš Kalifornijos universiteto, Riverside, ši idėja kilo atsitiktinai. „Sėdėjau seminare, ir mąsčiau sau, „fizikams dažnai priskiriami laurai už nustatymą, kodėl dangus žydras“,“ prisimena jis. „Tad pamaniau „na, o kodėl augalai žali?““

Gaboras išsiaiškino, kad, nors hipotezių nemažai, nė viena nebuvo vienareikšmiškai įrodyta. „Evoliuciniuose įrodymuose trūksta kelių grandžių,” pažymi. Tad, su komanda kurdamas saulės elementą, kuris efektyviai reguliuoja galios išeigą, nustebo radę galimą atsakymą.

Žalioji dilema

Kai SE molekulė absorbuoja šviesą, kai kurie jos elektronai peršoka į aukštesnį energijos lygį. Molekulė šio energijos neišlaiko, tad perduoda elektroną kitai molekulei, ir sukuria elektros srovę.

Skirtingos medžiagos jautrios skirtingiems šviesos bangų ilgiams, tad įmanoma reguliuoti SE jautrumą įvairioms šviesos rūšims.

Jei SE ar augalas norėtų tiesiog pasiimti kuo daugiau energijos, akivaizdus pasirinkimas būtų žalia šviesa: Saulės spektre žalios šviesos daugiau, nei bet kurios kitos. Tačiau didžiojo dalis augalų ją atspindi – todėl jie žali.

Tai atitinka Gaboro skaičiavimus: jis su komanda išsiaiškino, kad SE efektyviausiai veikia, kai naudojamos dvi skirtingos spalvos šviesos, iš kurių nė viena nėra žalia. Per dieną, kintant skirtingų bangos ilgių šviesos kiekiui, SE naudoja daugiau vienos spalvos ir mažiau kitos ir taip išlaiko tolygią išeigą.

Gaboras mano, kad būtent dėl gausos žalia šviesa nėra pageidautina nei augalams, nei saulės elementams. Kuo daugiau gaunama konkretaus bangos ilgio šviesos, tuo labiau signalas kinta, ir darosi sunkiau absorbuoti ją efektyviai.

„Žalia šviesa labai triukšminga būtent todėl, kad jos Saulės spektre yra tiek daug,” sako jis. „Augalai labai triukšmingos šviesos nemėgsta, nes ją sunkiau suderinti pastoviam energijos gavimui.”

Visgi Richard Cogdell iš Glasgow universiteto, JK, tokį paaiškinimą vertina skeptiškai.

„Biologija neturėjo galimybės rinktis, kurį pigmentą naudoti,” teigia jis. „Manau, tai nuostabus mokslas pats savaime, bet ryšio su fotosinteze ir gamtine sistema nėra.”

Gabor savo modeliu neabejoja. „Jis remiasi labai paprastomis kvantų mechanikos taisyklėmis, iš čia ir kyla idėja, kad galbūt augalai turi labai gerą priežastį būti žali,” sako jis. O patys save reguliuojantys, itin efektyvūs saulės elementai būti irgi labai neblogas dalykas.

Žurnalo nuoroda:Nano Letters, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b03136

Leah Crane
newscientist.com