Вчені відкрили нову найефективнішу сонячну енергетичну систему

Недавнє дослідження, проведене дослідницею Єльського університету Елісон Суїні, показує, що гігантські молюски в західній частині Тихого океану можуть бути найефективнішою системою сонячної енергії у світі. Згідно з новим дослідженням під керівництвом Єльського університету, розробники сонячних панелей і біопереробних установок могли б отримати цінну інформацію з райдужних гігантських молюсків, знайдених поблизу тропічних коралових рифів.

Це пояснюється тим, що гігантські молюски мають точну геометрію — динамічні вертикальні колони фотосинтетичних рецепторів, вкриті тонким світлорозсіювальним шаром — що може зробити їх найефективнішими системами сонячної енергії на Землі.

«Багатьом людям це суперечить інтуїції, оскільки молюски діють при інтенсивному сонячному світлі, але насправді вони справді темні всередині», — сказала Елісон Суїні, доцент кафедри фізики, екології та еволюційної біології на факультеті мистецтв Єльського університету. наук . «Правда полягає в тому, що молюски більш ефективні для перетворення сонячної енергії, ніж будь-яка існуюча технологія сонячних панелей».

У новому дослідженні, опублікованому в журналі PRX: Energy, дослідницька група під керівництвом Суїні представляє аналітичну модель для визначення максимальної ефективності фотосинтетичних систем на основі геометрії, руху та характеристик розсіювання світла гігантських молюсків. Це останнє в серії дослідницьких досліджень лабораторії Суїні, які висвітлюють біологічні механізми зі світу природи, які можуть надихнути на створення нових стійких матеріалів і дизайнів.

Сонячний потенціал гігантських молюсків

У цьому випадку дослідники звернули увагу на вражаючий потенціал сонячної енергії райдужних гігантських молюсків на мілководді Палау в західній частині Тихого океану. Молюски фотосимбіотичні, на їх поверхні ростуть вертикальні циліндри одноклітинних водоростей. Водорості поглинають сонячне світло — після того, як світло розсіюється шаром клітин, які називаються іридоцитами.

Дослідники кажуть, що важливі як геометрія водоростей, так і світлорозсіювання іридоцитів. Розташування водоростей у вертикальних стовпцях — що робить їх паралельними до вхідного світла — дозволяє водоростям поглинати сонячне світло з найефективнішою швидкістю. Це пояснюється тим, що сонячне світло фільтрується та розсіюється шаром іридоцитів, а потім світло рівномірно обертається навколо кожного вертикального циліндра водоростей.

Адаптивна поведінка підвищує ефективність

На основі геометрії гігантських молюсків Свіні та її колеги розробили модель для розрахунку квантової ефективності — здатності перетворювати фотони в електрони. Дослідники також врахували коливання сонячного світла на основі типового дня в тропіках зі сходом сонця, інтенсивністю полуденного сонця та заходом сонця. Квантова ефективність склала 42%.

Але потім дослідники додали нову складку: те, як гігантські молюски розтягуються у відповідь на зміни сонячного світла. «Молюски люблять рухатися і ковзати протягом дня», — сказав Суїні. «Це розтягування розсуває вертикальні стовпці далі одна від одної, фактично роблячи їх коротшими та ширшими».

Завдяки цій новій інформації квантова ефективність моделі молюска підскочила до 67%. Для порівняння, сказав Свіні, квантова ефективність системи зеленого листя в тропічному середовищі становить лише близько 14%.

Інтригуючим порівнянням, згідно з дослідженням, були б північні смерекові ліси. Дослідники кажуть, що бореальні ялинові ліси, оточені мінливими шарами туману та хмар, мають схожі геометрії та механізми розсіювання світла з гігантськими молюсками, але в набагато більшому масштабі. І їхня квантова ефективність майже однакова.

«Один урок із цього полягає в тому, наскільки важливо враховувати біорізноманіття, загалом», — сказав Суїні. «Ми з колегами продовжуємо міркувати про те, де ще на Землі може бути такий рівень сонячної ефективності. Також важливо визнати, що ми можемо вивчати біорізноманіття лише в тих місцях, де воно зберігається».

Вона додала: «Ми у великому боргу перед жителями Палау, які надають життєво важливу культурну цінність своїм молюскам і рифам і працюють, щоб зберегти їх у первозданному стані».

Такі приклади можуть стати джерелом натхнення та ідеї для більш ефективних технологій сталого використання енергії.

«Можна уявити собі нове покоління сонячних панелей, які вирощують водорості, або недорогі пластикові сонячні панелі, виготовлені з еластичного матеріалу», — сказав Суїні.