Суббота , 16 Декабрь 2017
Домашняя / Технологии / Фотосинтез: Попытка понять важнейшую химическую реакцию

Фотосинтез: Попытка понять важнейшую химическую реакцию

Фотосинтез является двигателем жизни. Синтез органических соединений, осуществляемый путём применения света для расщепления воды является, вероятно, самым важным набором химических реакций на планете. Хотя и есть надежда в один прекрасный день приспособить результаты фотосинтеза для использования человечеством, многие ключевые детали процесса, в том числе его эффективность, до сих пор до конца не изучены. Исследователи из политехнического института Ренсселера только что получили большой грант для составления карты молекулярных событий, которые происходят внутри одной из самых сложных биологических машин, известных человеку – группе продвигающих электроны белков, известных как фотосистема II.

фотосинтезВ фотовольтаике эффективность имеет четкое определение. А именно, количество электроэнергии, которое можно получить от солнечного элемента, делится на количество солнечного света, попадающего на него. Солнечный свет освобождает электроны, которые в свою очередь могут обеспечить мощность, пропорциональную их общему числу, умноженному на «давление», которое поддерживает их. Если эффективность солнечной панели составляет 20%, то это весьма хороший показатель. Проблема сравнения фотовольтаики с фотосинтезом заключается в том, что первый генерирует электрическую энергию, а второй генерирует химические продукты. Для преобразования фотоэлектрической энергии в нечто сопоставимое с продуктами фотосинтеза аналитики обычно вводят дополнительный шаг и требуют, чтобы электрическая мощность использовалась для расщепления воды и получения водорода, что снижает итоговую эффективность, по меньшей мере, наполовину.
Часто говорится об эффективности преобразования фототока в 95%, но на самом деле этот показатель имеет мало общего с эффективностью фотосинтеза. Для большинства растений и бактерий менее половины попадающих на них фотонов обладают соответствующей длиной волны, которая способна запустить фотосинтетический аппарат. После учета различных других факторов неэффективности, в том числе затрат на техническое обслуживание и «неправильные» фотоны, которые не дойдут до реакторов, реальная эффективность ближе к 5% — но к 5% от чего?

Задача на будущее для исследователей из института Ренсселера состоит в том, чтобы понять все промежуточные шаги, которые происходят, когда вода расщепляется в процессе фотосинтеза. Для этого учёные будет использовать комбинацию высокоскоростного спектрографического отображения с фемтосекундными источниками света и петаскалярное компьютерное моделирование. Они отмечают, что для разделения одной молекулы воды требуется четыре фотона. Высвобождённый атом водорода не хранится в растениях и не сжигается, а используется для питания «двигателя», который генерирует аденозинтрифосфат (АТФ). АТФ в свою очередь, используются для синтеза сахаров, которые являются реальными результатами деятельности фотосинтеза. Различные наборы ферментов действуют на всех уровнях этих преобразований, что делает затруднительным получение 5% эффективности исключительно путем подсчёта атомов водорода и сахаров.

Проблема с растениями заключается в том, что они очень хорошо работают на средних уровнях солнечной радиации, однако их производительность быстро достигает пика с увеличением потока света. Фотоэлементы же продолжают наращивать объем производимой энергии с увеличением попадающего на них света более или менее линейно. Если растения пытались бы работать с полным динамическим диапазоном солнечной энергии на пиковой мощности, они, вероятно, довольно быстро сгорели бы. Растения явно оптимизированы не для получения электрической энергии или водорода, а для сложной комбинации переменных, которые могут приблизительно быть названы биомассой.

Воссоздание фотосинтеза в рамках устройств может и возможно, но насколько эффективной такая машина будет, ещё предстоит выяснить. Производство водорода может быть одной из полезных функций таких устройств, но методы его эффективной сборки до сих пор не разработаны. Чтобы конкурировать с фотовольтаикой, будут необходимы исследования по многим направлениям, но глубокое понимание основной работы фотосистемы II является фундаментальной потребностью.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *