Хлорофилл против кремния

В 1817 году Пельтье и Каванту выделили из листьев их "зеленое начало" - хлорофилл. Уже полтора столетия исследуется это загадочное вещество. И многое стало понятным.

Хлорофилл, скажет вам ученый, действует как типичный полупроводник. Квант света образует в этой молекуле пару электрон - "дырка". В листе по "электронно-транспортной цепи", словно по медной проволочке, течет микроток...

Подглядеть у растений умение превращать свет в электричество заманчиво... Стоп, прервет читатель: ведь есть же для этого дела кремниевые полупроводники. Они действуют, и совсем неплохо.

Верно. Однако кремниевые фотоэлементы еще очень дороги: их используют в основном лишь в космосе.

(Говорить о кремниевых фотоэлементах - значит, обсуждать вопросы, связанные скорее не с научно-техническими аспектами, а с экономической целесообразностью.)

Правда, подстегнутые энергетическим кризисом американцы планируют в 1983 году производить 5 миллионов квадратных метров листового кремния (стоимость по 20 долларов за метр). Но и тогда солнечные электростанции обеспечат лишь проценты необходимой США энергии.

Поэтому ученые и изобретатели продолжают поиск более дешевых, более эффективных, чем кремниевые фотоэлементы, преобразователей солнечной энергии в электричество.

Несколько лет назад среди полупроводников бесспорным фаворитом была двуокись титана (были перепробованы еще ниобий, вольфрам, тантал, цирконий, олово). Однако двуокись титана (следует оговориться, что ее пытались использовать не в фотоэлементах, а в особых электрохимических солнечных элементах) имеет существенный недостаток: она чувствительна лишь к ультрафиолетовой части солнечного спектра.

К сожалению, доля световой энергии, приходящейся на ультрафиолетовые лучи, очень мала - примерно 4 процента. Фотоны видимого света (его доля - 50 процентов) энергетически менее активные, для двуокиси титана недоступны...

Использовать видимый свет умеют молекулы хлорофилла, ввести их в техническое устройство - вот та мысль, которую и попытался реализовать доктор Кац в своей модели искусственного листа.

Беда, однако, в гом, что хлорофилл и другие фотосинтезирующие системы зеленого листа очень нежны, их очень трудно заставить работать в технологических установках. Кроме того, эти элементы крайне недолговечны. И ученые пытаются подобрать хлорофиллу более простую и надежную замену. Ведь хлорофилл - всего лишь один из представителей длинного ряда органических сенсибилизирующих красителей.

Недавно, к примеру, группа японских ученых из Осакского университета сообщила об удачных опытах с красителем бенгальским розовым. Он не разлагается в ходе работы, и его максимум чувствительности лежит в середине видимой области спектра.

Растения еще долго будут вдохновлять ученых и инженеров, поставляя им свежие и оригинальные идеи. Вот, например, послушайте, как изящно решает растение проблему сбора солнечного "урожая" и его последующей переработки.

Пигментный аппарат растений прошел долгий путь эволюционных изменений. Постепенно происходило "разделение труда" между различными молекулами хлорофилла, которые, когда их было еще мало (в примитивных перворастениях), возможно, все выполняли одинаковые функции, совмещая непосредственное улавливание световой энергии и фотохимический катализ.

Однако немногочисленные активные молекулы хлорофилла, действующие по принципу "и швец, и жнец, и на дуде игрец", не могли обеспечить в достаточной степени снабжения организма растения световой энергией. Пришло время специализации. И с возрастанием мощи фотосинтетического аппарата все большая часть молекул хлорофилла получала вспомогательную роль.

В пчелином улье на одну матку трудятся многие десятки тысяч рабочих пчел. Они собирают нектар, пыльцу, выкармливают личинок...

Нечто подобное наблюдается и при фотосинтезе. Подавляющее большинство молекул хлорофилла выполняет лишь обслуживающие функции - сборщиков квантов света.

Перебрасывая фотоны, словно мячики, хлорофиллы-сборщики практически без потерь (механизм передачи световой энергии от одной молекулы хлорофилла к другой еще окончательно не раскрыт, и здесь также есть чему поучиться у природы) доносят поглощенную энергию до так называемых реакционных центров.

И вот в этих-то центрах несколько молекул хлорофилла (химически они ничем не отличаются от молекул-сборщиков) способствуют стоку и переработке энергетического урожая.

Каждый центр может в секунду переработать около 50 квантов света. Их надо собрать, что непросто, ибо даже при ярком освещении на каждую молекулу пигмента приходится лишь один поглощенный квант в секунду, а при слабом освещении - даже за десятки секунд.

Если бы фотохимическая реакция шла в той же молекуле хлорофилла, которая только что поглотила фотон, то подобная система работала бы очень неэффективно, простаивая большую часть времени.

Оттого-то каждый реакционный центр и обслуживают многие сотни (а бывает, что и тысячи!) молекул-сборщиков.

Возможно, в будущем этот опыт растений как-то сумеют использовать строители солнечных электростанций