Возможность создать практически неисчерпаемый источник энергии, получаемой за счёт солнечного света из воды, может появиться в будущем благодаря работе международной группы исследователей при участии российских учёных. Исследователи выяснили, что наиболее эффективным катализатором для окисления воды в процессе фотосинтеза является широко распространенный в природе марганцевый комплекс. Проведя обзор всех последних имеющихся работ по естественному и искусственному фотосинтезу и, проанализировав их, исследователи пришли к выводу, что наиболее эффективным из всех изученных на сегодня катализаторов для окисления воды в процессе фотосинтеза является широко распространённый в природе марганцевый комплекс. Результаты своего анализа они опубликовали в статье, вышедшей в последнем номере журнала Американского химического общества Chemical Reviews (текущий импакт-фактор — 46.568). / http://dx.doi.org/ 10.1021/acs.chemrev.5b00340 /, информирует «Тихоокеанская Россия», ТоРосс.
«Фотосинтез переводит свет в энергию с коэффициентом преобразования света в химическую энергию выше 90 %, тогда как у солнечных батарей он в среднем составляет 16 %, иначе говоря, природная эффективность как минимум в шесть раз выше искусственной, — утверждает один из соавторов статьи доктор биологических наук профессор Сулейман И. Аллахвердиев, заведующий лабораторией управляемого фотобиосинтеза Института физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, главный научный сотрудник в Институте фундаментальных проблем биологии РАН, профессор Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова, приглашённый адьюнкт-профессор факультета новой биологии, Республика Корея. — Но для создания искусственных систем фотосинтеза необходимо понять молекулярные основы процессов природного фотосинтеза и сконструировать искусственную фотосинтетическую ячейку. Одна из стадий фотосинтеза — процесс расщепления воды, и этот процесс регулируется природными катализаторами, причём везде, в растениях, водорослях, цианобактериях каталитический комплекс один и тот же. Мы много раз синтезировали различные комплексы и сравнивали их работу с работой природного марганцевого кластера, изучали работы других авторов и, в конце концов, пришли к выводу, что марганцевый катализатор лучше всех остальных — природа выбрала самый удачный вариант».
В чём-то искусственный фотосинтез подобен квантовому компьютеру — и то, и другое имеет огромный потенциал, широко обсуждается и может быть воплощено в жизнь. Однако реальный результат пока не достигнут ни в одной области, хотя имеются определенные успехи, приближающие нас к результату. Так, несколько лет назад исследователи из Массачусетского технологического института создали прототип элемента, способный генерировать электричество с помощью белков, выделенных из хлоропластов шпината.
«Шпинатная» батарея, основанная на этом принципе, была способна преобразовывать 12 % падающего на неё света. С тех пор наука существенно продвинулась вперёд: часто встречаются сообщения о новом варианте искусственного фотосинтеза вплоть до нанотрубок, посредством которых особенным способом выращенные деревья могли бы питать городские фонари. Начиная с 2009 года искусственные фотосинтезирующие системы стали активно развиваться. Главным выходом этого искусственного фотосинтеза, расщепляющего воду, является водород, который затем можно было бы запасать и использовать в невероятно экономичных и экологичных водородных двигателях. Однако это не такая простая задача.
«Это очень сложное дело, — говорит профессор Аллахвердиев. — Наш анализ показывает самый эффективный путь, тот путь, который, как я уже говорил, выбрала сама природа. А если следовать природе, к ней остаётся ещё очень много вопросов. Стратегия нашей лаборатории заключается в том, чтобы использовать те природные компоненты, которые наиболее пригодны для данного устройства, которое будет смесью искусственных и природных компонентов, молекул, осуществляющих поглощение фотонов света и миграцию поглощённой энергии, фотопреобразователей и, в конечном счёте, генераторов водорода».
Среди вопросов, которые остаются у учёных, можно перечислить следующие: каков молекулярный механизм окисления воды при фотосинтезе? Как происходит отрыв электрона от атома кислорода в составе молекулы воды, перенос и выделение протона? Как в действительности устроена уникальная природная ферментная система, осуществляющая этот процесс? Как создать солнечные ячейки на основе природных фотосистем, с коэффициентом первичного преобразования энергии фотона в разделенные заряды около 95 %?
И это только первые вопросы, на которые необходимо ответить. Дальше идут проблемы создания на этой основе искусственных комплексов фотосинтеза, и здесь тоже остаётся много проблем, например, как разделить в пространстве процессы выделения кислорода и водорода, чтобы создать цикл производства уникального, совершенного, неограниченного в объёмах производства и не загрязняющего окружающую среду топлива, молекулярного водорода? Как научить устройства, мимикрирующие фотосинтез, разлагать воду и производить из нее водород исключительно за счёт энергии солнечного излучения? Сейчас, благодаря работе учёных, на одну из этих проблем стало меньше, сообщает пресс-служба ФАНО.