تخضع الخلايا الشمسية لعملية التمثيل الضوئي
بيني ران وآفي بيليزوفسكي
الرابط المباشر لهذه الصفحة: https://www.hayadan.org.il/spinachcompting.html
تعمل أوراق السبانخ وأشعة الشمس على إطالة عمر البطاريات
سبانخ. ولأول مرة، نجح العلماء في إنتاج تيار كهربائي مستدام من عملية التمثيل الضوئي
لقد امتدح الآباء والأطباء فضائل السبانخ لسنوات. الآن انضمت مجموعة مدهشة إلى الجوقة: الباحثون الذين يريدون "إعادة الحياة إلى البطاريات". اكتشف علماء من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT)، وجامعة تينيسي، ومختبر الأبحاث البحرية الأمريكية، ووكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة طريقة لتسخير الطاقة التي تستخدمها النباتات أثناء عملية التمثيل الضوئي لإنتاج الضوء. ويطبق العلماء هذه العملية لإطالة عمر البطاريات في الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والأجهزة الإلكترونية المحمولة. ويأمل مارك بالدو، أستاذ الهندسة الكهربائية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والذي عمل في المشروع، في استخدام الرقائق في أجهزة الراديو ووحدات الذاكرة أيضًا. لكن البحث لا يزال في بداياته، وسوف تمر سنوات عديدة قبل أن تدخل التكنولوجيا الاستخدام التجاري.
ويزعم العلماء أن هذا الاكتشاف يطمس الحواجز بين الطبيعة والتكنولوجيا. يقول باري بروس، أستاذ الكيمياء الحيوية والبيولوجيا الخلوية والجزيئية في جامعة تينيسي نوكسفيل: "يظهر هذا أن هناك طريقة لاستخدام الجزيئات المولدة بيولوجيا وربطها مباشرة بالدوائر الإلكترونية التطبيقية". "وهذا يفتح الباب أمام التطبيقات، سواء كنت ترغب في إنتاج كابلات الحمض النووي، أو الخلايا التفاعلية القائمة على الإنزيم."
وهذه هي المرة الأولى التي ينجح فيها العلماء في إنتاج "شيء أساسي مثل التيار الكهربائي" من عملية التمثيل الضوئي، كما يقول البروفيسور بروس. وفي محاولات سابقة تمكن الباحثون من توليد تيار كهربائي لبضع ساعات فقط، لكن هذه المرة تمكن فريق العلماء من إنتاج تيار كهربائي يستمر لمدة ثلاثة أسابيع. فشلت المحاولات السابقة لتوليد الكهرباء من عملية التمثيل الضوئي لأن البروتينات التي تلتقط الطاقة من ضوء الشمس ماتت بدون ماء. تم تحقيق هذا الإنجاز بعد أن تمكن شوغوانغ تشانغ، نائب مدير مركز الهندسة الطبية الحيوية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، من إنشاء منظف بروتيني يعمل على تثبيت البروتين ويسمح له بنقل الطاقة.
تم اختيار السبانخ لهذه المهمة لسببين: الأول بسبب تركيزها العالي من الكلوروفيل، الواضح في لونها الأخضر الداكن، والثاني بسبب سعرها المنخفض. وفي وقت سابق، فكر العلماء في استخدام البازلاء الخضراء، لكن سعر السبانخ المنخفض وتوافرها جعلها المرشح الفائز. وقال البروفيسور بروس إنه إذا كان على العلماء زراعة البازلاء الطازجة بأنفسهم، فيمكن شراء السبانخ بكميات على مدار السنة.
وقال البروفيسور تشانغ إن الباحثين قاموا بإذابة السبانخ في جهاز للطرد المركزي، واستخرجوا البروتين منها ووضعوه رأسا على عقب، مع ترك مسافة بين كل بروتين على الشريحة. تم إدخال المنظف البروتيني على فترات، وفي عملية "التجميع الذاتي"، تم ربط الجزأين مثل الأصابع المتشابكة. وتم وضع الخليط بين طبقات من البلاستيك والذهب وأكسيد القصدير الإنديوم، وهي مادة شفافة شبه موصلة. في نهاية العملية، أصبحت الرقائق متينة وسهلة الإصلاح: إذا توقف بروتين واحد عن العمل، فيمكن استبداله بآخر.
ولن يقوم الجهاز، الذي يشبه شريحة إلكترونية مربعة طولها 6 سم وبداخلها سائل أخضر، بتنشيط الأجهزة الإلكترونية من تلقاء نفسه، بل سيغلف بطارية من الخارج ويستخدم قوة الضوء لإطالة عمرها.
وحتى الآن، تمت إضافة طبقة واحدة فقط من محلول السبانخ إلى الرقائق، مما يسمح فقط بإنتاج كمية صغيرة من الكهرباء. وفي المستقبل، يخطط العلماء لإضافة المزيد من الطبقات لإضافة القوة. وقال البروفيسور تشانغ: "إنه مثل تشييد مبنى". "يصبح أكثر اكتمالا مع كل طابق إضافي." البروفيسور تشانغ ليس في عجلة من أمره للإثارة؛ وفي رأيه، سوف يمر عقد من الزمن قبل أن يتمكن من استخدام الاكتشاف لأغراض تجارية. لكن من الممكن في النهاية أن تكون الخضروات هي التي ستعمل على تشغيل الإلكترونيات. وقال البروفيسور تشانغ: "سيستغرق الأمر بعض الوقت، ولكن الحاجز الأول قد تم كسره بالفعل".
هل يمكن تشغيل أجهزة الكمبيوتر المحمولة على السبانخ؟
نشر لأول مرة على موقع العلوم بتاريخ 07/9/2004. تعديل
آفي بيليزوفسكي وبيني ران
لا يأكل بوباي السبانخ فحسب، بل يمكن لأجهزة الكمبيوتر أيضًا هضمها، كما يعتقد الباحثون الأمريكيون الذين قاموا ببناء خلايا كهربائية مدعومة بالبروتينات النباتية. وتحول الخلايا الشمسية البيولوجية أشعة الضوء إلى طاقة كهربائية، وينبغي أن تكون فعالة ورخيصة الثمن - كما يقول الباحث مارك بالدو من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، الذي شارك في التطوير. تم نشر هذا الاكتشاف في Nano Letters.
قام فريق بالدو بعزل بعض بروتينات التمثيل الضوئي من أوراق السبانخ ووضعها بين طبقتين من المواد الموصلة. وبمجرد تعريض الخلية الصغيرة للضوء، يتم إنتاج تيار كهربائي. ومع ذلك، فإن استخراج البروتينات لم يكن سهلا. الجزيئات حساسة وتميل إلى التوقف عن العمل بمجرد فصلها عن بيئتها الطبيعية. وحافظ الباحثون عليها عن طريق مزجها مع جزيئات أكثر مقاومة، والتي تحمي البروتينات المنتجة للطاقة وتجعلها تتصرف كما لو كانت لا تزال مرتبطة بالنبات.
تم ربط البروتينات بصفيحة ذهبية رفيعة، تم ربطها بصفيحة من المعدن الشفاف الموصل للكهرباء، وفوقها طبقة أخرى من الموصل العضوي. ولم يكتمل تطوير النظام بعد، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أنه يعمل حاليًا لمدة 21 يومًا فقط ثم ينتهي تشغيله. والآن يبحث الباحثون عن بدائل قادرة على العمل لفترة أطول. بالإضافة إلى ذلك، تقوم الخلايا حاليًا بتحويل حوالي 12 بالمائة فقط من الطاقة الممتصة فيها إلى كهرباء. ومع ذلك، يرى الباحثون أنه من الممكن تحسين هذه القيمة والوصول إلى استخدام حوالي عشرين بالمئة، وهو معدل أفضل من الخلايا الشمسية التقليدية المصنوعة من السيليكون.
بطارية نباتية
14/10/2004
هل تتذكرون باباي المحب للسبانخ من أفلام الرسوم المتحركة لوالت ديزني؟ قريبًا، وعد العلماء في مختبر معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، بأن أوراق السبانخ الخضراء لن "تضيف قوة" لعضلات ذراع بوباي فحسب، بل سيتم استخدامها لتوليد الطاقة الكهربائية، لتشغيل أجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف المحمولة. . بمعنى آخر: سيأتي اليوم الذي سنرى فيه البطاريات "البيولوجية". بتعبير أدق: خلية شمسية تنتج الكهرباء باستخدام تقنية تذكرنا بعملية التمثيل الضوئي.
وبذلك تنضم فكرة الفريق الأمريكي إلى فكرة المهندسين البريطانيين لإنتاج زيت من عباد الشمس - ليس فقط لتتبيل السلطة والطهي، ولكن أيضًا كوقود للمحركات. ولا شك أن كلا الفكرتين لهما أهمية اقتصادية واسعة النطاق بالنسبة للمستقبل.
الابتكار الذي تم تحقيقه في البحث المبتكر في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، هو أنه لأول مرة تم تسخير قدرة النباتات على تحويل الطاقة المستمدة من ضوء الشمس - إلى كهرباء، أو بشكل صحيح إلى جهاز إلكتروني (رقاقة) يعرف الآن باسم "شطيرة السبانخ" .
يتكون قلب الجهاز من مجموعة معقدة من بروتينات التمثيل الضوئي المشتقة من البلاستيدات الخضراء في السبانخ، وهو نفس الجهاز النباتي الذي تتم فيه عملية التمثيل الضوئي. يتراوح عرض نظام البروتين من 10 إلى 20 نانومتر (نانومتر = جزء من مليار من المتر). حوالي 100 ألف منهم "يتناسبون" مع رأس الدبوس.
ويضم فريق التطوير الذي يرأسه البروفيسور مارك بالدو مهندسين آخرين من جامعة تينيسي ومختبر الأبحاث المركزي التابع للبحرية الأمريكية، بما في ذلك خبراء في الإلكترونيات والكمبيوتر والهندسة الطبية الحيوية وعلماء الأحياء وأخصائيي تكنولوجيا النانو.
وفي تقرير للنشرة العلمية "رسائل النانو" التي تصدرها الجمعية الكيميائية الأمريكية - أكبر مجتمع علمي في العالم - أكد الباحثون: "لقد تغلبنا بالفعل على العقبة الأولى التي كان علينا فيها الجمع والتكامل بين مجموعة معقدة من بروتينات التمثيل الضوئي داخل جهاز إلكتروني صلب، أي داخل شريحة إلكترونية."
وقال البروفيسور بالدو إن قدرة النباتات على إنتاج الطاقة قد تم تحسينها على مدى ملايين السنين من التطور، وتبين أن أوراق السبانخ فعالة بشكل استثنائي لهذا الغرض. إن كمية الطاقة التي ينتجها الكلوروفيل الموجود في أوراق السبانخ هائلة بالنسبة لأبعادها ووزنها. إن السعي إلى الجمع بين المواد البيولوجية وغير البيولوجية في جهاز واحد قد أذهل العلماء لفترة طويلة - ولكن حتى الآن كانت المواد البيولوجية تتطلب الماء والأملاح للبقاء على قيد الحياة - وهذان المكونان ليسا جيدين للإلكترونيات.
لكن فريق التطوير أنشأ غشاء الببتيد، أي يعتمد على جزيئات بروتينية صغيرة، رقيقة للغاية وتذكرنا بالمكون المركزي في الصابون - وهذا هو الذي أدى إلى استقرار مجمع التمثيل الضوئي وبالتالي جعل من الممكن إنشاء دائرة إلكترونية مناسبة. بالمناسبة، يوجد داخل "شطيرة السبانخ" أيضًا طبقات من المعدن الذهبي - وهو موصل كهربائي ممتاز بشكل خاص.
