Развитие этого эксперимента, по мнению его авторов, приведёт к тому, что через несколько лет жители отдалённых деревень смогут электрифицировать свои дома при помощи ряда покупных реактивов и стога свежескошенной травы.

Андреас Мершин (Andreas Mershin) и его коллеги из Массачусетского технологического института (MIT) построили опытные батареи на основе свето-собирающего комплекса биологических молекул — фотосистемы I (PS-I). Она была взята у цианобактерии Thermosynechococcus elongates.

Под обычным солнечным светом ячейки показали напряжение холостого хода в 0,5 В, удельную мощность 81 мкВт на квадратный сантиметр и плотность фототока в 36 мкА/см2. А это, по уверению изобретателей, в 10 тысяч раз выше, чем у любой показанной ранее биофотовольтаики, основанной на натуральных фотосистемах.

КПД полученных батарей составил всего-то около 0,1%. Тем не менее создатели диковинки считают её важным шагом на пути массового внедрения солнечной энергетики в быт. Ведь потенциально такие устройства могут производиться с низкими затратами.

Фотосистемы являются важными компонентами комплексов, отвечающих зафотосинтез в растениях и сине-зелёных водорослях. Они состоят из нескольких вариаций хлорофилла и сопутствующих молекул — протеинов, липидов и коэнзимов. Общее число молекул в таком наборе – до двух с лишним сотен. В идеале биологические батареи могли бы делать сами потребители у себя дома, пользуясь недорогими химреактивами, продаваемыми в пакетике как набор «сделай сам», а также мусором с участка или фермы. «Вы сможете использовать в качестве сырья всё зелёное, даже скошенную траву», — прогнозирует Мершин.

Авторы нового преобразователя считают, что опыт с его построением может быть повторён даже в колледже или школе с более-менее развитой химической лабораторией. А в дальнейшем инструкцию по сборке «фотогальванической ячейки из травы» можно будет поместить на одной страничке, причём отразить практически без слов, одними картинками. Упрощение всех этапов создания такой батареи — основная заслуга изобретателей из MIT. Ранее для концентрации молекул PS-I применялись центрифуги, но команда Андреаса предложила альтернативу — недорогие мембраны.

Никаких специальных лабораторных условий для их применения не нужно. «Состав может быть очень грязный, и он всё ещё будет работать, так его спроектировала природа, — рассказывает исследователь. — Природа работает в грязной среде, это результат миллиардов экспериментов на протяжении миллиардов лет». После ряда усовершенствований КПД «травяных батарей» можно поднять до 1-2%, и это будет уже коммерчески жизнеспособный уровень.

Опытные фотоэлектрические ячейки представляют собой сэндвич из пары слоёв стекла, тонких проводящих покрытий (оксид олова, легированный фтором или индием, FTO/ITO), строительных лесов из диоксида титана или оксида цинка и смеси бактериального фотоулавливающего комп-лекса PS-I со стабилизирующим его пептидным набором A6K. Причём пространство между листами ещё и заполнено электролитом, содержащим ионы кобальта.

Для того чтобы добиться выдающихся параметров прибора, учёным пришлось решить ряд проблем, возникших далеко не вчера. Данный опыт явился развитием работы, начатой в MIT ещё восемь лет назад молекулярным биологом Шугуаном Чжаном (Shuguang Zhang) и рядом его соратников. Чжан, кстати, является одним из основных авторов и нового эксперимента.

Предыдущие ячейки, заимствовавшие фотосистемы у растений либо бактерий, могли нормально работать только под концентрированным светом лазера, то есть в узком диапазоне длин волн. Второй недостаток прежних вариантов «живой батареи» — для её изготовления были необходимы дорогие химические вещества и современное оборудование лаборатории.

Третий важный момент — надёжная и долговременная стабилизация извлечённых из растений молекулярных комплексов. Вне клетки PS-I существует недолго. Но команда MIT разработала набор поверхностно активных пептидов, способных обволакивать систему PS-I, сохраняя её на большой срок.

Было ещё одно давнее препятствие. Всё та же фотосистема повреждалась от ультрафиолета. Его удалось преодолеть в ходе решения другой задачи — повышения эффективности сбора света.

Комплексы PS-I Мершин с коллегами высеивали не на гладкой подложке, как это было в прежних похожих экспериментах, а на поверхности с огромной эффективной площадью.

В роли такой основы выступили губка из диоксида титана (толщиной 3,8 микрометра и с размером пор в 60 нанометров) и плотный «лес» стержней из оксида цинка (с высотой «деревьев» в несколько микрометров и диаметром в доли микрометра). Оба варианта фотоанода показали сходные результаты. Причём они не только позволили заметно увеличить число молекул хлорофилла, выставленных под свет, но и отчасти защитили комплексы PS-I от ультрафиолетовых лучей. Ведь оба материала являются хорошими их поглотителями.

А ещё титановая наногубка и цинковый нанолес сыграли роль каркаса и выполнили функцию переносчика электронов. Ну а на PS-I возлагалась задача сбора света, его усвоения и разделения зарядов, аналогично тому, как это происходит в клетках.

Возможно, что вместо копирования природных улавливающих свет комплексов выгоднее окажется просто извлекать концентрат нужных молекул из листьев, бактерий или водорослей.

Автор: Леонид Попов, www.membrana.ru, http://www.nature.com/