Augalais įkvėptos naujovės saulės energijos surinkime ir transformacijoje

Per milijardus metų trukusią evoliuciją natūralūs organizmai išvystė itin efektyvius saulės energijos surinkimo ir jos kaupimo angliavandenilių, tokių kaip cukrus ir krakmolas, pavidalu metodus, užtikrinančius augimą ir išlikimą. Tyrimai parodė, kad augalų lapuose yra šviesą surenkančios antenos struktūros, vadinamos chloroplastais, kurios leidžia sugerti platų saulės šviesos spektrą. Šios struktūros taip pat veikia kaip tolimosios pernašos kanalai, perduodantys egzitonus iš sužadintų chlorofilo elektroninių būsenų po fotonų sugėrimo į reakcijos centrus, kuriuose vyksta fotosintezė (Mirkovic ir kt., 2017).

Natūraliame lape egzistuoja tarpusavyje sujungti trimatiai porėti ir kanalų tinklai, optimizuojantys šviesos sugėrimą ir palengvinantys būtinų medžiagų judėjimą. Įkvėpti šių struktūrų ir natūralios fotosintezės mechanizmų, mokslininkai plačiai kūrė dirbtinius saulės energijos pavertimo kuru procesus, leidžiančius paversti anglies dioksidą daugiaangliais produktais bei saulės energija varomą vandenilio gamybą (Liu ir kt., 2021).

Atkuriant chlorofilo struktūrą ir fotosintezės funkcinius procesus augalų lapuose, buvo sukurti dirbtiniai lapai, leidžiantys bioįkvėptą saulės energijos surinkimą ir konversiją (Van Noorden, 2021, Reece ir kt., 2011, Nguyen ir kt., 2017).

Norint pagerinti dujų difuziją ir šviesos surinkimo efektyvumą, trimatės dirbtinės fotosintetinės sistemos dažnai kuriamos su hierarchine elektrodo struktūra, panašia į natūralaus lapo. Pavyzdžiui, dirbtiniai lapai buvo sukurti naudojant sintetines nanomedžiagas, įterptas į augalinės kilmės karkasus, taip sukuriant bio-hibridines sistemas (Zhou, 2013).

PV-lapas imituoja transpiracijos procesą augalų lapuose, kad atvėsintų saulės elementus ir pagerintų jų efektyvumą. Šiame dizaine įdiegta biomimetinė transpiracijos sluoksnis, sudarytas iš bambuko skaidulų ir hidrogelio ląstelių, kurios pasyviai perkelia vandenį iš rezervuaro, kad atvėsintų saulės panelės paviršių. Sumažindamas darbinę temperatūrą iki 26°C, PV-lapas padidina elektros efektyvumą ir gali vienu metu generuoti elektrą, šilumą ir švarų vandenį.

Sintezės proceso metu lapo natūrali architektūra ir gyslų sistemos buvo tiesiogiai atkurtos ir įtrauktos į dirbtinę fotosintetinę sistemą, sukuriant trimatį hierarchinį makroporų tinklą. Šie dirbtiniai lapai, pagaminti naudojant žmogaus sukurtus katalizatorius, efektyviai surenka šviesą ir palengvina anglies dioksido fotoredukciją, imituodami natūralius fotocheminius procesus, kad paverstų anglies dioksidą ir vandenį vertingais angliavandeniliais natūralios ar simuliuotos saulės šviesos sąlygomis. Be bioįkvėptų prietaisų anglies dioksido surinkimui ir konversijai, per pastarąjį dešimtmetį tyrimai nagrinėjo saulės energija varomą vandens skaidymą naudojant lapų įkvėptas struktūras. Kaip švarus energijos šaltinis be anglies emisijų, vandenilis tikimasi atliks svarbų vaidmenį ateities energetikos sistemose, ypač kai bus gaminamas vandens skaidymo reakcijomis. Vandenilio gamybos per vandens skaidymą koncepcija taip pat buvo paveikta natūralių fotosintezės mechanizmų (Velasco-Garcia ir Casadevall, 2023).
Tipinio augalo lapo struktūrą sudaro fotosintetinės ląstelės, kraujagyslių pluoštai (gyslos), puriosios ląstelės, žiotelės, kutikulė ir epidermis, kaip parodyta 1a paveiksle. Vandens transportas augale vyksta dėl kapiliarinių jėgų ir osmosinio slėgio, leidžiančio skystam vandeniui judėti iš dirvožemio į lapus. Kraujagyslių pluoštuose yra mikrokanalai, kurie efektyviai paskirsto vandenį po visą lapą, o šis vėliau išgaruoja nuo ląstelių paviršiaus transpiracijos metu.

Įkvėpta transpiracijos efektyvumo ir natūralių lapų struktūrinio dizaino, PV-lapui buvo sukurta biomimetinė transpiracijos struktūra, kaip pavaizduota 1b paveiksle. Šiame dizaine integruotas biomimetinis transpiracijos (BT) sluoksnis, pritvirtintas prie saulės PV elemento nugarėlės, pagerina šilumos išsklaidymą. Kraujagyslių pluoštų funkcija atkartojama naudojant natūralius bambuko pluošto pluoštus, užtikrinančius efektyvų vandens transportavimą ir paskirstymą. Tuo tarpu hidrogelio ląstelės, pasižyminčios didele specifiniu paviršiaus plotu ir puikiomis vandens sugėrimo savybėmis, atstoja puriąsias ląsteles, skatindamos efektyvų garavimą.

Išsami PV-lapo transpiracijos struktūros konfigūracija parodyta 1c paveiksle, kurią sudaro BT sluoksnis (~1 mm storio), atraminis tinklelis (0,5 mm storio) ir PV elemento sluoksnis (~150 μm storio), dengiantis 10 × 10 cm² efektyvų plotą. BT sluoksnyje įterpta apie 30 bambuko pluošto šakų, tolygiai paskirstytų kalio poliakrilato (PAAK) superabsorbento polimero (SAP) hidrogelyje, kuris palengvina tolygų vandens paskirstymą per visą sluoksnį. Pluošto šakų galai surinkti ir panardinti į vandenį, užtikrinant nuolatinį drėkinimą.

Žingsnis po žingsnio PV-lapo transpiracijos struktūros gamybos procesas pateiktas Papildomame 1 paveiksle, o Papildomas 2 paveikslas pateikia elektros matavimo sistemos, naudotos našumo vertinimui, schemą (Huang ir kt., 2023).

4 pav. Bioįkvėpto PV-lapo struktūra ir funkcija. a. Natūralus lapas turi kraujagyslių pluoštus, kurie tolygiai paskirsto vandenį per visą paviršių, leidžiant atvėsti transpiracijos būdu, kas apsaugo fotosintezę. b. Bioįkvėptas PV-lapas imituoja šį procesą, naudodamas hidrofilinius pluoštų pluoštus ir hidrogelio ląsteles, kad atkartotų tikro lapo vandens transportavimo ir kaupimo funkcijas. c. Biomimetinis transpiracijos (BT) sluoksnis pagamintas iš bambuko pluoštų pluoštų ir hidrogelio ląstelių, o pluoštų šaknys įdėtos į vandenį, kad būtų užtikrintas nuolatinis drėkinimas. d. Vanduo juda iš pluoštų šaknų į hidrogelio ląsteles kapiliarų veikimu ir osmosu. Vandeniui išgaruojant, šiluma pašalinama iš PV elemento, jį atvėsinant. e. Tikro PV-lapo prototipo nuotrauka rodo, kaip ši bioįkvėpta struktūra pritaikoma veikianč