A vírusok és a kvantumfizika házasságából születhet hatékonyabb napelem

A tudósok és a mérnökök már régóta dolgoznak azon, hogy feljebb tornásszák a napelemek hatékonyságát, de még mindig messze vannak attól, hogy megközelítsék a természet saját napenergia-feldolgozó módszerét, a fotoszintézist. Váratlan párosítás, a víruskutatás és a kvantumfizika együttese vihet közelebb ehhez a célhoz.

A fotoszintézisben a növények mindenféle emberi technológiánál sokkal ügyesebben, majdnem 100 százalékos hatékonysággal képesek felhasználni az összegyűjtött napfényt. Hiába egyre elterjedtebbek és hatékonyabbak, a mai napelemek a növényekhez képest jóval alacsonyabb, 50 százalék alatti hatékonysággal teszik csak a dolgukat. Az MIT kutatói – Angela Belcher vírusszakértő és Seth Lloyd kvantumfizikus vezetésével – egy új tanulmányban nem a legmodernebb napelemeket próbálták meg még jobban feltuningolni, hanem teljesen úgy irányból közelítettek:

A fotoszintézis során a növény által felvett foton találkozik egy kromofór nevű receptorral, amely ennek hatására egy exciton nevű, semleges töltésű energiahordozó kvantum részecskét termel. Az exciton ezután kromofórról kromofórra ugrálva halad a reakciócentrumba. Ez az ugrálás viszont véletlenszerű és alacsony hatékonyságú lenne, ha nem használná ki a kvantummechanika lehetőségeit. De kihasználja, így az exciton valójában egyszerre több irányba is halad, és azt választja ki végül, amelyik a leghatékonyabbnak bizonyul. Ez viszont csak akkor működik, ha érvényesül a Goldilocks-hatás kvantumváltozata, a kvantum Goldilocks-hatás: a kromofóroknak pontosan a megfelelő távolságra kell elhelyezkedniük egymástól, se közelebb, se távolabb, különben nem jön létre közöttük a kvantumkoherencia.

Itt jön a képbe a vírus, amelyet úgy manipuláltak, hogy összekapcsolódjon egyszerre több szintetikus kromofórral. A kutatók ezután a vírus több változatát is létrehozták, mindegyiknél apró eltérésekkel a szintetikus kromofórok elrendezésében. Végül kiválasztották azt, amelyik a legjobban teljesített. Ezzel a módszerrel több mint duplájára tudták növelni az excitonok sebességét, amelyeknek hosszabb utat is sikerült megtenniük.

A rendszer egyelőre csak arra alkalmas, hogy demonstrálja a módszer működőképességét. A vírusok képesek összegyűjteni és utaztatni a fényt, de még nem képesek energiát előállítani belőle. Ha ezt sikerül megoldani (például a fotoszintézis mintájára egy mesterséges reakciócentrum létrehozásával), a rendszert számos területen lehetne alkalmazni. Például sokkal hatékonyabb napelemek előállítását tenné lehetővé.

A kutatást bemutató tanulmány a Nature Materials című folyóiratban jelent meg.