Taimedest inspireeritud uuendused päikeseenergia kogumisel ja muundamisel

Fotogalvaaniline leht (PV-leht)

Miljardite aastate jooksul on looduslikud organismid evolutsiooni käigus välja arendanud väga tõhusad meetodid päikeseenergia kogumiseks ja selle talletamiseks süsivesikutena, nagu suhkur ja tärklis, et tagada kasv ja ellujäämine. Uuringud on näidanud, et taimelehtedes leidub valguse kogumise antennstruktuure, mida tuntakse kloroplastidena, mis võimaldavad laia päikesespektri neeldumist. Need struktuurid toimivad ka kaugkanalitena, mis kannavad ergastunud klorofülli elektronseisunditest ergastusi (eksitoneid) pärast footoni neeldumist reaktsioonikeskustesse, kus toimub fotosüntees (Mirkovic jt, 2017).

Looduslikus lehes esinevad omavahel ühendatud kolmemõõtmelised pooride ja kanalite võrgustikud, mis optimeerivad valguse neeldumist ja hõlbustavad oluliste ainete liikumist. Inspireerituna nendest struktuuridest ja loodusliku fotosünteesi mehhanismidest, on teadlased laialdaselt arendanud kunstlikke päikeseenergia kütuseks muundamise protsesse, mis võimaldavad muuta süsihappegaasi mitmesüsinikuliseks toodeteks ning samuti päikeseenergial põhinevat vesiniku tootmist (Liu jt, 2021).

Klorofülli struktuuri ja taimelehtede fotosünteesi funktsionaalsete protsesside jäljendamisega on välja töötatud kunstlehed, mis võimaldavad bioinspireeritud päikeseenergia kogumist ja muundamist (Van Noorden, 2021, Reece jt, 2011, Nguyen jt, 2017).

Gaasi difusiooni ja valguse kogumise efektiivsuse suurendamiseks kujundatakse kolmemõõtmelised kunstlikud fotosünteetilised süsteemid sageli hierarhilise elektroodstruktuuriga, mis sarnaneb loodusliku lehe omaga. Näiteks on kunstlehti arendatud sünteetiliste nanomaterjalide abil, mis on integreeritud taimepõhistesse raamistikesse, moodustades biohübriidsüsteeme (Zhou, 2013).

PV-leht jäljendab taimelehtede transpiratsiooniprotsessi päikesepatareide jahutamiseks, parandades nende efektiivsust. See disain sisaldab biomimeetilist transpiratsioonikihti, mis on valmistatud bambuskiududest ja hüdrogeelrakkudest, mis liigutavad vett passiivselt reservuaarist päikesepaneeli pinnale jahutamiseks. Töötamistemperatuuri vähendamisega kuni 26°C võrra suurendab PV-leht elektrilist efektiivsust ning suudab samaaegselt toota elektrit, soojust ja puhast vett.

Sünteesiprotsessi käigus replitseeriti ja integreeriti lehe loomulik arhitektuur ja soonestik otse kunstlikku fotosünteetilisse süsteemi, luues kolmemõõtmelise hierarhilise makropoorse võrgustiku. Need tehislehed, mis on valmistatud tehislike katalüsaatoritega, püüavad tõhusalt valgust ja hõlbustavad süsihappegaasi fotoreduktsiooni, jäljendades looduslikke fotokeemilisi protsesse, et muuta süsihappegaas ja vesi kõrge väärtusega süsivesikuteks loodusliku või simuleeritud päikesevalguse käes. Lisaks bioinspireeritud seadmetele süsihappegaasi püüdmiseks ja muundamiseks on viimase kümnendi jooksul uuritud ka päikeseveesplitti lehtedest inspireeritud struktuuride abil. Vesinik, mis on puhas energiaallikas ilma süsinikuheitmeteta, eeldatavasti mängib tulevikus olulist rolli energiasüsteemides, eriti kui seda toodetakse vee lõhustamise reaktsioonide kaudu. Ka vesiniku tootmise kontseptsioon vee lõhustamise teel on saanud mõjutusi fotosünteesi looduslikest mehhanismidest (Velasco-Garcia ja Casadevall, 2023).
Tüüpilise taimelehe struktuur koosneb fotosünteetilistest rakkudest, soonte kimpudest (sooned), käsnrakkudest, õhulõhedest, kutiikulist ja epidermisest, nagu on näidatud joonisel 1a. Vee transport taimes toimub kapillaarjõudude ja osmootse rõhu toimel, võimaldades vedela vee liikumist mullast lehtedesse. Soontekimbud sisaldavad mikrokanaleid, mis jaotavad vett tõhusalt kogu lehes, kust see transpiratsiooni käigus rakkude pinnalt aurustub.

Inspireerituna transpiratsiooni efektiivsusest ja looduslike lehtede struktuurilisest disainist, on PV-lehe jaoks välja töötatud biomimeetiline transpiratsioonistruktuur, nagu on kujutatud joonisel 1b. See disain integreerib biomimeetilise transpiratsioonikihi (BT), mis on kinnitatud päikesepatarei tagaküljele, parandades soojuse hajutamist. Soontekimpude funktsiooni jäljendatakse looduslike bambuskiududega, tagades tõhusa vee transpordi ja jaotuse. Samal ajal asendavad käsnrakke kõrge eripindalaga ja suurepäraste veeimavusomadustega hüdrogeelrakud, soodustades efektiivset aurustumist.

PV-lehe transpiratsioonistruktuuri detailne konfiguratsioon on näidatud joonisel 1c, mis koosneb BT-kihist (~1 mm paksune), toestavast võrgust (0,5 mm paksune) ja PV-kihi kihist (~150 μm paksune), mis katab efektiivse pindala 10 × 10 cm². BT-kihi sees on umbes 30 bambuskiudude haru, mis on ühtlaselt jaotatud kaalium-polüakrülaadi (PAAK) superabsorbendi polümeeri (SAP) hüdrogeelis, mis soodustab vee ühtlast jaotumist kogu kihi ulatuses. Kiudharude otsad on kokku kogutud ja vette sukeldatud, tagades pideva niisutuse.

PV-lehe transpiratsioonistruktuuri samm-sammuline valmistamisprotsess on esitatud lisas joonisel 1, samas kui lisa joonis 2 annab ülevaate elektrilise mõõtesüsteemi skeemist, mida kasutati jõudluse hindamiseks (Huang jt, 2023).

Joonis 4.  Bioinspireeritud PV-lehe struktuur ja funktsioon. a. Looduslikul lehel on soontekimbud, mis jaotavad vee ühtlaselt üle pinna, võimaldades transpiratsiooni kaudu jahutamist, mis kaitseb fotosünteesi. b. Bioinspireeritud PV-leht jäljendab seda protsessi, kasutades hüdrofiilseid kiudkimpusid ja hüdrogeelrakke, et replitseerida tõelise lehe vee transportimise ja salvestamise funktsioone. c. Biomimeetiline transpiratsioonikiht (BT) on valmistatud bambuskiududest ja hüdrogeelrakkudest, kus kiudude juured on asetatud vette pideva niiskuse tagamiseks. d. Vesi liigub kiudude juurtest hüdrogeelrakkudesse kapillaarjõu ja osmoosi abil. Vee aurustumisel eemaldatakse PV-kihist soojust, hoides seda jahedana. e. PV-lehe prototüübi reaalne foto näitab, kuidas seda bioinspireeritud struktuuri rakendatakse töötaval päikesepatareil (Huang jt, 2023).

Joonis 5. Kuidas PV-leht parandab päikesepaneeli jõudlust. a. PV-lehe toimivuse testimiseks loodi spetsiaalne seade, kasutades päikesesimulaatorit, mis tekitab päikesevalgusele sarnast valgust. See seade aitab mõõta PV-lehe jahutusefekti ja energiatõhusust võrreldes tavalise päikesepaneeliga. b. PV-leht püsib palju jahedamana kui tavaline päikesepaneel. Testid näitasid