• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Czy bakterie można by wykorzystywać w ogniwach słonecznych?

    15.05.2009. 15:11
    opublikowane przez: Maksymilian Gajda

    Odkrycie nowych właściwości siarkowych bakterii zielonych może okazać się przydatne w opracowywaniu nowej generacji ogniw słonecznych. Chlorosomy, największy i najefektywniejszy zespół antenowy zbierający światło w naturze, mieszczą do ćwierć miliona molekuł chlorofilu w tego rodzaju bakteriach. Międzynarodowy zespół naukowców przekonuje na łamach czasopisma Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), że strukturę tych molekuł można wykorzystać do opracowania nowych sposobów wytwarzania energii.

    Chlorosomy są zbudowane z setek tysięcy samołączących się bakteriochlorofili (BChl). Debata na temat budowy chlorosomów toczy się od dziesiątek lat, lecz ich ogromny potencjał, który pozwoliłby dać lepszy wgląd w proces wytwarzania energii, nadal pozostaje tuż poza naszym zasięgiem.

    Choć mechanizmy kompleksu antenowego zbierającego światło u niektórych organizmów przetwarzających światło słoneczne na energię chemiczną (np. rośliny i glony) zostały dosyć dobrze poznane, zrozumienie chlorosomów okazało się być większym wyzwaniem. Są niejednorodne pod względem składu molekularnego, co uniemożliwia wykorzystanie krystalografii rentgenowskiej do rozwikłania ich zagadki. Co więcej, informacje zebrane za pomocą technik biochemicznych i mikroskopowych przynosiły dotychczas sprzeczne wyniki.

    "Ponieważ [chlorosomy] tworzą bardzo duże i niejednorodne pod względem budowy organelle, były jedynym fotosyntetycznym kompleksem antenowym, o budowie którego brak było jakichkolwiek szczegółowych informacji" - czytamy w raporcie z badań. "W przyjętym przez nas podejściu, określiliśmy budowę członka należącego do klasy chlorosomu i porównaliśmy ją z typem dzikim (WT), aby dowiedzieć się, w jaki sposób tworzy się biologiczna funkcja zbierania światła w chlorosomie."

    Naukowcy wykorzystali techniki genetyczne oraz dwie zaawansowane techniki bio-obrazowania: mikroskopię krio-elektronową i NMR (nuklearny rezonans magnetyczny) w stałym stanie skupienia. Odkryli , że chlorosom jest zbudowany z połączonych koncentrycznych nanorurek, które tworzą solidny szkielet dla anten wytwarzających światło.

    Jak czytamy w artykule: "Skuteczne i ultraszybkie zbieranie światła opiera się na spiralnej ścieżce delokalizacji ekscytonu". Inaczej mówiąc, superszybka migracja energii do białek w błonie komórkowej odbywa się przez spirale utworzone z molekuł chlorofilu, które doprowadzają do konwersji chemicznej.

    Koordynator badań, profesor Huub de Groot z Uniwersytetu Leiden w Holandii, sugeruje, że nowe odkrycia mogłyby zostać wykorzystane do opracowania podobnych struktur w "sztucznych liściach", tj. ogniwach słonecznych przetwarzających energię słoneczną na paliwa.

    Co zaś tyczy się urządzeń przetwarzających energię słoneczną, chlorosomy są ciekawym modelem do naśladowania z uwagi na swój prosty skład i zdolność prawidłowego funkcjonowania nawet w warunkach słabego naświetlenia (bakterie zielone żyją w warunkach wyjątkowo niskiego natężenia światła). Jeden z procesów natury, rozpracowany teraz przez naukowców, może otworzyć nowe drogi do prób wykorzystania materiałów nanostrukturalnych w przetwarzaniu energii słonecznej na paliwo.

    Źródło: CORDIS

    Więcej informacji:

    Uniwersytet Leiden:
    http://www.leidenuniv.nl/

    PNAS:
    http://www.pnas.org/

    Źródło danych: Uniwersytet Leiden; Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)
    Referencje dokumentu: Ganapathy, Swapna, et al. (2009) Alternating syn-anti bacteriochlorophylls form concentric helical nanotubes in chlorosomes. PNAS (w druku). Publikacja internetowa z dnia 12 maja; DOI:10.1073/pnas.0903534106.

    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) – czasopismo naukowe United States National Academy of Sciences publikujące głównie prace biomedyczne, rzadziej z zakresu fizyki, matematyki i nauk społecznych. Wydanie drukowane jest tygodnikiem. Wersja internetowa PNAS-u codziennie zawiera nowe artykuły. Pierwsze wydanie ukazało się w 1915 r. Chlorosom (pęcherzyki Chlorobium) – pęcherzykowata struktura występująca u bakterii zielonych, pełniąca rolę kompleksu antenowego zbierającego światło. Są strukturami połączonymi z błoną komórkową, w której znajdują się fotoukład bakteryjny – P840, do którego przekazywana jest energia wychwycona przez barwniki obecne w chlorosomach. Pojedynczy chlorosom ma elipsoidalny kształt szerokości 50-100 nm i wysokości 15-20 nm. Otoczony jest pojedynczą warstwą nieskładająca się z galaktolipidów i kilku białek. Parytet sieci (ang. grid parity) to określenie sytuacji, w której nowe źródło energii może dostarczać energii elektrycznej po koszcie uśrednionym mniejszym albo równym kosztowi nabycia energii w sieci energetycznej. Termin ten jest najczęściej używany w dyskusjach na temat nowych instalacji odnawialnych źródeł energii, w szczególności nowych technologii produkcji energii z biomasy, wiatrowej i słonecznej, które obecnie wchodzą na rynek.

    Fototoinhibicja – to zjawisko hamowania fotosyntezy przy dużych natężeniach światła. Jeśli organizmy fotosyntetyzujące absorbują więcej światła niż może być wykorzystane w procesach fotosyntezy dochodzi do uszkodzenia aparatu fotosyntetycznego. Zjawisko fotoinhibcji zależne jest nie tylko od natężenie świtała, lecz także od warunków w jakich rośnie roślina. Do fotoinhibicji dochodzi często gdy przy niskich temperaturach ograniczających reakcje enzymatyczne roślina zostanie wystawiona na działanie silnego światła (np. w wiosenne poranki gdy natężenie światła jest duże a temperatura jest bliska zeru, przy przeniesieniu rośliny rosnącej w cieniu na miejsce w pełnym świetle), suszy, zasoleniu gleby. Rośliny posiadają mechanizmy pozwalające na adaptację do zmieniających się warunków świetlnych. Gdy jednak adaptacja do warunków świetlnych okaże się niewystarczająca dochodzi do obniżenia natężenia fotosyntezy mierzonej jako wydzielanie tlenu lub pobieranie CO2. Główna przyczyną obniżenia natężenia fotosyntezy jest uszkodzenie fotoukładu II. Akceptory elektronów, plastochinon A i B, przejmujące elektron wybity z centrum reakcji pozostają trwale w stanie zredukowanym, a centrum reakcji nie jest w stanie odbierać energii od anten fotosyntetycznych. Dochodzi do uszkodzenia białka D1 obecnego w fotoukładzie II, będącego miejscem przyłączenia plastochinonu B . Uszkodzone fotoukłady zostają wyłączone z fotosyntetycznego łańcucha transportu elektronów, aż do czasu degradacji uszkodzonego białka D1 i jego odtworzenia. Brak możliwości przekazania energii do centrum reakcji prowadzi do wytwarzania reaktywnych form tlenu co także może stać się przyczyna uszkodzenia fotoukładu II. Podczas fotoinhibicji dochodzi również do uszkodzenia kompleksu rozszczepiającego wodę z którego odłączane są jony manganu oraz polipeptydy peryferyjne. Bakteriochlorofile – grupa organicznych związków chemicznych, barwników fotosyntetycznych, uczestniczących w zamianie energii świetlnej na energię chemiczną u bakterii. Budowa bakteriochlorofili jest zbliżona do chlorofili roślinnych. U bakterii zielonych bakteriochlorofile występują głównie w kompleksach antenowych w obrębie struktur nazywanych chlorosomami. U bakterii purpurowych bakteriochlorofile zorganizowane są w strukturach nazywanych chromatoforami. Heliobakterie zaś nie mają specyficznych struktur organizujących barwniki, bakteriochlorofil występuje bezpośrednio w błonie cytoplazmatycznej.

    Energetyka słoneczna – gałąź przemysłu zajmująca się wykorzystaniem energii promieniowania słonecznego zaliczanej do odnawialnych źródeł energii. Od początku XXI wieku rozwija się w tempie około 40% rocznie. W 2012 roku łączna moc zainstalowanych ogniw słonecznych wynosiła 100 GW (wzrost o 41% w stosunku do 2011 roku, 900% od 2007 roku) i zaspokajały one 0,4% światowego zapotrzebowania na energię elektryczną. Siłownia, niekiedy również maszynownia – zespół urządzeń należących do większego, przetwarzającego energię układu, w którym odbywa się konwersja pewnego rodzaju energii na energię mechaniczną. W siłowni na statkach używa się najczęściej silnika cieplnego do napędzania śruby okrętowej.

    Baterie słoneczne ISS – zespół ogniw słonecznych zastosowanych na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, ze względu na to, iż światło słoneczne jest jedynym łatwo dostępnym źródłem energii na orbicie. Spośród wielu baterii słonecznych ISS największe są dwa, zbudowane w Stanach Zjednoczonych, bliźniacze panele (każdy ma długość 34 m i szerokość 12 m) zamontowane na kratownicy ITS P6. Maszyna energetyczna (zasileniowa) – maszyna, której zadaniem jest przekształcanie (transformowanie, przetwarzanie) zasilenia – energii (choć niezbędny do jej działania jest także przepływ informacji). Rozpatrywana jako źródło zasilenia (energii) jest nazywana generatorem, maszyną napędową lub silnikiem, gdy istotne jest pobieranie przez nią zasilenia i wykonanie pracymaszyną roboczą. W technice określa się też tak zdefiniowaną maszynę zasileniową (energetyczną), jako po prostu "maszynę" (z dodatkowym warunkiem sztucznego pochodzenia), wyłączając z zakresu pojęcia "maszyna" przetworniki informacji i zawężając zakres pojęcia maszyna energetyczna do maszyn przetwarzających energię mechaniczną na inne rodzaje energii lub przetwarzających inne rodzaje energii na energię mechaniczną (maszyny napędowesilniki).

    Element elektroniczny (elektryczny) część obwodu elektrycznego o jednej, dominującej funkcji: wytwarzania energii elektrycznej kosztem innego rodzaju energii, rozpraszania energii oraz magazynowania energii. Element elektryczny nie może zostać podzielony bez utraty swoich właściwości. Wyróżniamy dwa rodzaje elementów: bierne i czynne. Bierne nie wytwarzają, lecz rozpraszają i magazynują energię, zaś czynne - wytwarzają.

    Daylighting – sposób umieszczania okien lub innych otworów i powierzchni odbijających światło, tak aby w ciągu dnia światło naturalne zapewniło efektywne oświetlenie wewnętrzne. Szczególną uwagę zwraca się na daylighting podczas projektowania budynków, w których celem jest maksymalizacja komfortu wizualnego lub zmniejszenie zużycia energii. Oszczędność energii osiąga się poprzez obniżenie wykorzystania sztucznego (elektrycznego) oświetlenia lub pasywnego ogrzewania słonecznego. Do tego światło elektryczne automatycznie, w odpowiedzi na obecność światła dziennego, musi być przygaszane bądź rozjaśniane. Pożądane jest wprowadzenie automatyki umożliwiającej taki system zarządzenia oświetleniem.

    Matryca (przetwornik) to układ wielu elementów światłoczułych przetwarzających padający przez obiektyw obraz na sygnał elektryczny, stosowany w aparatach cyfrowych. Jest to płytka krzemowa, zawierająca elementy światłoczułe (w każdym elemencie światłoczułym znajduje się fotodioda odpowiedzialna za mierzenie natężenia światła), pokryte filtrem CFA (ang. Color Filter Array) w celu rejestracji kolorów. Ponadto matryca światłoczuła pokrywana jest specjalnym zestawem filtrów odcinających fale światła podczerwonego.

    Dodano: 15.05.2009. 15:11  


    Najnowsze