Het natuurlijk proces van fotosynth
ese kan leiden tot het ontwerpen van efficiëntere kunstmatige zonnecellen, aldus onderzoekers van de Georgia State University.
Tijdens fotosynthese, planten en andere organismen, zoals algen en bacteriën, verandert zonne-energie in chemische energie die later als brandstof voor activiteiten kan worden gebruikt. Bij planten veroorzaakt lichtenergie uit de zon een elektron om snel over het celmembraan te bewegen.
In kunstmatige zonnecellen, komt het elektron vaak terug naar het beginpunt en wordt de gevangen zonne-energie verloren. In planten gaat het elektrisch vrijwel nooit terug naar het beginpunt, en daarom is zonne-energieopname in planten zo efficiënt. Een proces genaamd omgekeerde regio elektronen overdracht kan bijdragen aan het remmen van deze “back electron transfer.”
De bevindingen van deze studie, gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences, geven bewijs dat elektronische overdracht van omgekeerde gebieden verantwoordelijk is voor de zeer hoge efficiëntie in verband met de omzetting van zonne-energie in fotosynthese.
Theoretisch werk over dit fenomeen heeft Dr. Rudolph Marcus de Nobelprijs voor Chemie in 1992 gewonnen, maar tot nu toe is het mechanisme niet aangetoond in natuurlijke fotosynthetische systemen. De onderzoekers studeerde fotosynthetische reactiecentra uit de zoetwatercyanobacteriesoorten Synechocystis, die dezelfde fotosynthetische machines als planten heeft.
“We konden het bestaan van het mechanisme voor het eerst onthullen door een methode uit te werken die ons in staat stelt om de vereiste uitdagende experimenten succesvol te ondernemen. Onze bevindingen wijzen op nieuwe manieren om te denken over het ontwerpen van kunstmatige zonnecellen die bijvoorbeeld gebruikt kunnen worden voor het produceren van waterstofgas, dat kan worden gebruikt als een schone en hernieuwbare brandstof.”
Zonne-energie, de schoonste en meest voorkomende hernieuwbare energiebron, kan worden omgezet in thermische, chemische of elektrische energie. Door een kleine fractie van de zonne-energie aan te vallen die jaarlijks op de aarde valt, kan de toenemende dorst van de mens worden uitgeblust, aldus Hastings. De zonne-energie-industrie in de Verenigde Staten werkt aan de productie van zonne-technologie te schalen en kosten dalen, maar volgens de Solar Energy Industries Association staat het voor uitdagingen.
“Planten converteren zonne-energie ultra-efficiënt, aanzienlijk efficiënter dan elke kunstmatige zonnecel,” zei Hastings. “Bij fotosynthese komt het licht binnen, een elektron beweegt over een membraan en komt niet terug. Het grote probleem met kunstmatige systemen is dat het elektronen veel terugvalt. Dat is het echte hart van waarom planten zo efficiënt zijn bij zonne-energie omzetten.
“De details die onderbouwen van efficiënte zonne-energie conversie in planten zijn slecht begrepen. Dit is jammer, omdat gedetailleerde kennis op dit gebied belangrijk is om te helpen bij het ontwerpen van economisch levensvatbare kunstmatige zonne-omzetters. Onze werkzaamheden hebben een ontwerpprincipe op het spel gebracht in efficiënte zonne-energie conversie in planten, en de hoop is dat dit principe gebruikt kan worden bij het ontwerpen van nieuwe en betere soorten kunstmatige zonnecellen.”
Bron