16:12 Если Природа творит "Чудеса", то и мы тоже можем... |
Мы привыкли к тому, что деревья - естественный элемент окружающего мира, и создать их может только природа. Однако ученые с этим не согласны. Они работают над проектом искусственных листьев, способных вырабатывать топливо из солнечного света, воды и углекислого газа, - по тому же принципу, что и настоящие листья. Ученые верят, что настанет день, когда искусственные листья помогут человеку отапливать дома и заправлять машины ( на фото прототип "искусственного листа" ).
...Сам механизм фотосинтеза, возможно, лежит на квантовом уровне. Квантовая физика и биология растений - это две настолько разные отрасли науки, что сложно представить существование какой-либо связи между ними, но, как ни удивительно, она есть на глубинном уровне.
Исследователи из американского Министерства энергетики (DOE), Национальной лаборатории в Аргонне, США, и Радиационной лаборатория Нотр-Дама в университете Нотр-Дама, Франция, использовали метод ультраскоростной спектроскопии, чтобы проследить процессы, происходящие на субатомном уровне - на самой ранней стадии фотосинтеза. «Если бы мы полагали, что фотосинтез – это марафон, то сейчас мы получили бы фотографию того, что это бег с препятствиями, - сказал биохимик из Аргонна Дэвид Тайде. - Мы видим потенциал понимания значительно более фундаментального взаимодействия, чем многие ученые, рассматривавшие этот процесс ранее».
В то время как различные разновидности растений, морских водорослей и бактерий разработали множество механизмов, позволяющих им собирать энергию света, они все разделяют особенность, известную как фотосинтетический центр реакции. Пигменты и белки, которые находятся в центрах реакции, помогают организмам в прохождении начальной стадии энергетического преобразования.
Эти пигментные молекулы или хромофоры отвечают за поглощение энергии, которую несет входящий свет. После того, как фотон поражает клетку, он раздражает один из электронов в хромофоре. Когда ученые из Аргонна наблюдали начальный этап процесса, они видели то, чего никто не наблюдал прежде: единственный фотон возбуждал несколько различных хромофор одновременно.
«Поведение, которое мы смогли наблюдать в этих ускоренных временных условиях, подразумевает очень сложное смешивание электронных состояний, - сказал Тайде. - Это показывает, что биологические системы высшего уровня могут привести к фундаментальной физике, что ранее не казалось вероятным и, вообще, возможным».
Ученые в последнем исследовании доказали, что квантовая физика и биология растений неразрывно и глубоко связаны.
Почитать Квантовый Компьютер
Квантовые эффекты, наблюдаемые в ходе эксперимента, предполагают, что естественные процессы, вовлеченные в фотосинтез, в ходе которых собирается солнечный свет, могут быть более эффективными, чем ранее описывала классическая биофизика, говорит химик Гари Видерречт из Центра наноразмерных материалов Аргонна. «Это подразумевает очевидный вопрос: как мать-природа создала такой невероятно изящный процесс?» - сказал он.
Результат исследования может существенно повлиять на работу химиков и исследователей в области нанотехнологий в создании искусственных материалов и приспособлений, которые смогут имитировать устройство естественных фотосинтетических систем. Перед исследователями открывается длинный путь, который им предстоит пройти прежде, чем они смогут создать устройства, которые будут соответствовать эффективности растений в процессе получения энергии солнечного света.
Одной из причин сложности приближения ученых к этому решению, как объясняет Тайде, является то, что эксперименты в области искусственного фотосинтеза не способны воспроизвести молекулярную матрицу, которая содержит хромофоры. «Уровень, на котором мы находимся с искусственным фотосинтезом, ограничивается нашей способностью создать пигменты и соединить их, но мы не можем воссоздать внешнюю среду, - сказал он. - Следующий шаг - построить копию этого обрамления (среды), и затем эти удивительные разновидности квантовых эффектов могут стать для нас более достижимыми».
Поскольку момент, когда происходит квантовый эффект, очень короткий - меньше, чем триллионная часть секунды - ученым придется нелегко в процессе установления биологических и физических обоснований его существования. «Это заставляет нас задаться вопросом, что же мы должны понять об этих материалах такого тонкого и уникального, - говорит Тайде. – В любом случае мы достигнем понимания основных принципов первоначальной фазы энергетического преобразования в фотосинтезе»...
«Если природа творит такие чудеса, то и мы тоже можем, - утверждает Гари Брудвиг, профессор химии Йельского университета, занимающийся исследованием фотосинтеза. - Мы хотим использовать законы природы при создании искусственных листьев». Брудвиг добавил, что над разработкой данной идеи уже трудятся несколько научных групп в разных странах мира.
Искусственные листья не станут шелестеть на ветру и менять цвет в зависимости от сезона. Они будут сделаны из тонкого пластика со встроенными датчиками, абсорбирующими солнечный свет, или же, по другому проекту, из материала, напоминающего пластиковую обертку с «пузырями», использующуюся для упаковки хрупких товаров. Такую пленку планируется растягивать на определенном участке, чтобы она впитывала воду и солнечный свет и производила, например, водород и метанол.
«Вдохновением для искусственных листьев послужили настоящие листья, это правда, но внешнего сходства между ними вы не увидите, - признает Натан Льюис, профессор химии Калифорнийского технологического университета, расположенного в Пасадене. Он возглавляет исследование искусственного фотосинтеза, на которое Министерство энергетики США выделило $122 млн. - Мы планируем стать лидерами в сфере получения энергии напрямую из солнечного света».
При поддержке Министерства энергетики, Льюис организовал Совместный центр по исследованию искусственного фотосинтеза, являющийся одним из трех новейших проектов в альтернативной энергетике США. Сейчас Центр активно нанимает на работу химиков, программных инженеров и других специалистов, которым предстоит работать как над созданием листьев для искусственного фотосинтеза, так и над проектированием устройств, способных накапливать и хранить полученную энергию.
Сама по себе идея искусственных листьев не нова. Но раньше прототипы таких устройств были слишком дорогими, хрупкими и неэффективными для полноценной конкуренции с ископаемыми видами топлива.
Льюис пояснил: «Можно создать дешевую и эффективную систему, но если она не будет устойчивой, то и пользы не принесет». По словам ученого, в ближайшие 5 лет он и его группа планируют преодолеть существующие проблемы. «Мы хотим объединить все достижения в этой сфере, полученные нашими иностранными коллегами, и создать систему, которая сможет максимально эффективно вырабатывать топливо из солнечного света».
Один из создателей искусственных листьев, Даниэль Носера, профессор энергетики Массачусетского технологического университета, хочет начать практическое тестирование своего изобретения, поместив листья на крыши домов в развивающихся странах. Последнюю модель искусственного листа, готового к применению, он продемонстрировал на съезде Американского общества химиков в марте текущего года. «Наша цель - превратить каждый дом в миниатюрную электростанцию, способную обеспечить собственные потребности», - заявляет Носера.
Искусственный лист изготавливается из недорогих материалов и пригоден также для работы с обычной водой. В ходе демонстрации Носера использовал небольшую кремниевую пластину, - размером с игральную карту, - покрытую катализаторами. Эти катализаторы, разработанные Носерой и его коллегами, помогают ускорить процесс получения кислорода и водорода из воды.
«На одной стороне пластины задерживается водород, - пояснил Носера, - а на другой выходит кислород».
Катализаторы помещаются непосредственно на кремний, нет необходимости в дополнительных проводах. Листья могут как разбивать воду на кислород и водород, так и превращать солнечные лучи в электроэнергию. Водород ученые планируют превращать в топливо. Одним из преимуществ новой технологии является также то, что используемая вода не обязательно должна быть чистой. В ходе исследований нередко применялась обычная речная вода, не очищенная от микроорганизмов, которые, впрочем, нисколько не препятствовали описанному процессу.
Преимуществом является также и то, что водород можно накапливать непосредственно рядом с листьями, нет необходимости сразу передавать его в дом. Таким образом, полученный водород может быть использован для любых целей.
Конечно, на нынешней стадии разработки искусственные листья не способны обеспечить энергией среднестатистический дом развитой страны. Они предназначены для домохозяйств с более скромными потребностями.
В 2008 году Носера основал собственную компанию, Sun Catalytix, получавшую финансирование в том числе и от групп индийских компаний. По его словам, его иностранные партнеры активно занимаются коммерческой адаптацией новой технологии.
«Научная разработка завершена, теперь речь идет о приспособлении листьев для практического использования, - подчеркивает Носера. - Эта система послужит для обеспечения энергией беднейших слоев населения».
Гарри Грей, в чьей лаборатории начинали свою деятельность и Носера, и Льюис, с нетерпением ожидает публикации отчета Носеры о работе катализаторов. «Нам необходимы устойчивые катализаторы из доступных материалов, - считает Грей. - С их помощью мы наконец сможем создать коммерчески выгодные установки для получения солнечной энергии».
Похожего мнения придерживается и профессор Брудвиг: «На сегодняшний день не существует системы искусственного фотосинтеза, которая была бы так же экономически выгодна, как и ископаемые виды топлива. Поэтому разработка такой системы - важнейшая задача для нас. Она поможет перейти от экономики традиционной энергетики к экономике альтернативной энергетики».
Автор: Энн Эйзенберг (Anne Eisenberg)
http://energobelarus.by/index.php?section=news&news_id=3274
Технология "искусственных листьев" может прийти на смену нефти, обеспечив энергией корабли, самолеты и автомобили. Ученые планируют разработать технологию переработки углекислого газа в углеводородное топливо посредством фотосинтезирующих бактерий. Исследователи выразили надежду на то, что эта технология появится в течение следующих двух лет, а первая демонстрационная система в течение следующих пяти лет.
Почитать Круговорот углерода в природе
Совсем недавно ученые из Университета Глазго совершили прорыв в этом направлении. Они открыли, что этот процесс может протекать с применением электричества вместо света. Нефть будет использоваться для хранения энергии.
В своей речи на ежегодном собрании Американской ассоциации содействия развитию науки (ААСРН), в Ванкувере, Канада, профессор Ричард Коджелл заявил: "Большой проблемой на данный момент является то, что большая часть возобновляемых источников энергии создает электричество. Это хорошо, но у нас нет хорошего способа хранения электричества".
"Необходимо научиться сохранять эту энергию в виде некой жидкости, доступной по мере надобности. Мы изучаем фотосинтез, с целью создания его улучшенной и более эффективной копии...В последние несколько месяцев мы осознали, что в качестве источника энергии этих реакций может использоваться электричество".
Профессор Коджелл описал будущие энергетические станции в виде баков с бактериями, создающими большое количество горючего. Микроорганизмы будут расщеплять углекислый газ в потенциально углеродно-нейтральном процессе, который, возможно, позволит снизить содержание парниковых газов в атмосфере.
Почитать Жидкое топливо из Воздуха
Профессор Коджелл надеется проверить эту технологию в течение следующих двух лет и разработать небольшую демонстрационную систему в течение следующих пяти. Он добавил: "Я был бы очень разочарован, если это не будет работать в реальном мире в течение следующих 30 лет".
Для этого необходимо модифицировать сине-зеленые водоросли, которые обладают всем необходимым для фотосинтеза, чтобы они могли черпать энергию от электричества, а не от солнечного света. Это достижимо посредством внедрения генов от других бактерий, которые поглощают электричество с помощью волосо-подобного выроста под названием фимбрия.
"Если эта мечта осуществиться, то у нас будут контейнеры с сине-зелеными водорослями, которые будут соединены с электродами", - сказал профессор Коджелл. "Поступающий ток будет предоставлять им энергию для преобразования углекислого газа в углеводороды". Этот проект уже получил государственное финансирование в размере 3 миллионов долларов.
http://globalscience.ru/article/read/20278/
http://www.km.ru/nauka/2012/06/05/issledovaniya-rossiiskikh-i-zarubezhnykh-uchenykh/rasteniya-pribegayut-k-kvantovoi-
Это интересно
Недавно группа французских биологов сделала сенсационное открытие. Ученые выяснили, что некоторые животные (а если конкретно, то тли) могут заниматься фотосинтезом — то есть синтезировать органические вещества, используя энергию солнечного света. Прежде считалось, что такие "технологии" доступны только растениям. Но оказалось, что это не так.
Следует заметить, что тли (Aphidoidea), несмотря на свою вредительскую деятельность по отношению к культурным (да и некультурным) растениям, являются одними из самых интересных и загадочных насекомых. Все у этих мельчайших (их размер тела в среднем составляет два миллиметра) существ не так, как у нормальных шестиногих: и жизненный цикл чрезвычайно сложный, с чередованием крылатых и бескрылых форм, и каратиноидные пигменты они могут сами синтезировать (единственный случай в мире животных), и жизнь у них чересчур уж сладкая — еще бы, практически одними сахарами питаются! Словом, не насекомые, а инопланетяне какие-то.
Недавно же тлям вновь удалось удивить научное сообщество — биологи из Технопарка Софии Антиполис (Франция) обнаружили, что эти вредные, но очень интересные букашки способны к фотосинтезу. То есть они могут, используя солнечную энергию, производить углеводы из воды и углекислого газа. Случай, согласитесь, нетривиальный — прежде считалось, что такие "технологии" доступны только растениям.
Кстати, фотосинтез действительно долгое время считался одним из важных критериев, при помощи которого можно было отличить растения от животных и прочих существ. Ученые полагали, что из многоклеточных только растения способны усваивать солнечную энергию и создавать тем самым то, что называется первичной продукцией экосистемы. Конечно же, некоторые животные, например, кораллы или морские моллюски, тоже могут фотосинтезировать, однако они делают это не при помощи собственных клеток, а благодаря живущим в их телах симбиотическим водорослям (которые, строго говоря, и занимаются фотосинтезом, отдавая хозяину часть произведенных углеводов).
Почитать Биоэнергетика
Швейцарские ученые представили очень дешевую и обладающую наибольшим на сегодняшний день КПД преобразования (12,3 процента) систему получения водородного топлива. Новое устройство искусственного фотосинтеза разлагает воду за счет энергии Солнца. Оно включает два солнечных фотоэлемента из перовскита и катализатора (покрытого слоем никеля и железа двойного гидроксида), расположенного на пеноникелевом электроде. Об изобретении сообщает журнал Science. Это издание ранее, в 2013 году, включило минерал в топ-10 прорывов 2013 года, связывая с ним большие надежды на его использование в солнечной энергетике. Эффективное получение и запасание энергии солнечного света считается самой насущной задачей для экологически чистой энергетики. Однако существующие системы отличаются дороговизной и малым КПД (несколько процентов). Цзиньшань Луо (Jingshan Luo) из Федеральной политехнической школы Лозанны и его коллеги воспользовались дешевыми и в изобилии встречающимися на планете материалами (перовскит, никель, железо). Их системе вообще не требуются редкоземельные металлы. Кроме того, превращение солнечной энергии в водород позволит запасать ее — благодаря этому энергетика перестанет зависеть от капризов погоды. Установка инженеров состоит из двух электродов, которые соединены с фотоэлементами и помещены в электролит. Работа устройства целиком основывалась на фотовольтаике (электричество на электроды поступало только от фотоэлементов). В своем исследовании ученые руководствовались соображениями максимальной экономии на ресурсах в сочетании с приемлемой производительностью. Использование перовскита в фотоэлементах они объясняют его дешевизной по сравнению с кремнием, используемым в солнечных фотоэлементах. Редкие благородные металлы (прежде всего, рутений и платину), обычно применяемые для изготовления долговечных электродов, специалисты заменили на никель и железо. «Как только вы получаете водород, его можно хранить в бутылке и делать с ним все, что хотите и когда хотите. Этот газ можно сжигать в двигателе или паровом котле, или отправить в топливную батарею. Уже достигнутый КПД преобразования в 12,3 процента вырастет в самом скором времени», — заявил руководитель Лаборатории фотоники и граничных поверхностей при школе Микаэль Грэтцель (Michael Grätzel). Такие высокие показатели стали возможны благодаря свойствам фотоэлементов из перовскита: этот минерал дает напряжение холостого хода, превосходящее 1 вольт (для сравнения, кремниевые элементы дают самое большее 0,7 вольта). Для начала электролиза воды необходимо минимум 1,7 вольта: этот показатель обеспечивают два фотоэлемента из перовскита, но как минимум три-четыре кремниевых. Единственным недостатком системы является ее недолговечность: компоненты устройства разрушаются через несколько часов. Остается дождаться технологического прогресса в области повышения долговечности солнечных элементов из перовскита, пишут ученые. Перовскит, получивший свое название в честь русского минералога (и министра иностранных дел при Николае I в царской России) Льва Перовского, является широко распространенным в нижней мантии Земли минералом. Там, на глубине от 660 до 2700 километров, на его долю приходится, по разным оценкам, до 80 процентов вещества. Минерал имеет псевдокубическое строение и состоит из кальция, титана и кислорода. В природе минерал чаще всего встречается с различными примесями, например, церия и ниобия, которые замещают кальций в его кристаллической решетке. http://lenta.ru/news/2014/09/25/perovsksolar/
http://www.pravda.ru/science/planet/environment/27-08-2012/1125703-aphidoidea-0/
|
|
|
| Всего комментариев: 0 | |