A növények évmilliárdok alatt olyan tökéletesre fejlesztették a fotoszintézist, hogy a fotoreceptorok által begyűjtött energia közel 100 százaléka eljut a reakcióközpontokba, ahol kémiai energiává alakítódik át. A minden létező mesterséges napelemes rendszernél jobb hatásfokkal működő folyamat titka, hogy a növényekben kvantummechanikai effektusok lépnek működésbe az energia továbbítása közben.

Ezt igyekeznek lemásolni az MIT kutatói is, akik genetikailag módosított vírusok révén javítottak jelentősen egy fényenergiát összegyűjtő mesterséges rendszer hatásfokán. Seth Lloyd, a kutatás kvantummechanikai szakértője elmondása szerint, amikor a fotoszintézis során egy foton eléri a növény egyik fotoreceptorát, a fényt elnyelő kromofórból egy exciton nevű kvázirészecske bocsátódik ki. Ez addig ugrál a kromofórok között, amíg el nem ér egy reakcióközpontot, ahol kémiai kötések formájában kerül tárolásra.

Az exciton útja véletlenszerű és kevéssé hatékony lenne, ha nem tudna előnyt kovácsolni a kvantumvilág furcsaságaiból. Mivel azonban képes hullámszerűen is viselkedni, megteheti azt, hogy gyakorlatilag egyszerre több útvonalat próbál ki, majd ezek közül a legjobbon halad végig, mondja Lloyd. Ennek a mozgásnak ugyanakkor az is előfeltétele, hogy a kromofóroknak úgy kell elhelyezkedniük, ahogy az exciton ugrásai számára ez a legmegfelelőbb.

Ezen a ponton lépnek be a képbe a vírusok. Angela Belcher évek óta dolgozik egy olyan víruson, amely képes egyszerre számos szintetikus kromofórt, jelen esetben organikus festékpöttyöt megkötni. A vírus genomjának megváltoztatása révén eltérő távolságok alakíthatók ki a kromofórok között, és tesztelés útján kiválasztható ezek közül, hogy melyik elrendezés felel meg a leginkább az exciton számára. A kutatás jelenlegi szakaszának végére a szakértők ezzel a módszerrel több mit duplájára tudták növelni a kvázirészecskék haladási sebességét, jelentősen megnövelve az excitonok élettartama alatt megtehető út hosszát, és vele együtt az egész folyamat hatásfokát.

A projekt, mint olyan sok minden a tudomány világában, egy véletlen találkozás eredménye. Lloyd és Belcher egy olasz konferencián találkoztak, és amikor beszélgetésbe elegyedtek, kiderült, hogy nagyon távoli szakterületeik között akadhatnak átfedések. Lloyd, aki addig elsősorban elméleti módszerekkel tanulmányozta a fotoszintézist, rájött, hogy a Belcher által génszerkesztett vírusok nagyjából olyan nagyságúak, hogy mérettartományukban esetlegesen működhetnek a hatásfoknövelő kvantumfolyamatok.

Belcher munkája tehát kiváló lehetőséget kínált arra, hogy Lloyd mesterségesen reprodukálja a természetben oly hatékonyan működő mechanizmust, és megközelítse a növények magas energiatovábbítási hatásfokát. Ehhez először egy kicsit át kellett tervezni a vírust, majd megkezdődhetett a kísérletezés. A szakértők lézer spektroszkópiával és dinamikus modellek révén követték nyomon az általuk felépített energiatovábbító rendszer működését, és így sikerült kikísérletezniük, hogy milyen méretű vírusokra van szükség a kvantumhatás maximális kiaknázásához.

„Nagyon szórakoztató volt az egész” ‒ mondja Belcher. Két nagyon eltérő szaknyelvet beszélő csoport működött együtt, hogy létrehozza a rendszer elemeit, és elemezze az adatokat. Ettől volt izgalmas, folytatja a kutató. Bár a projekt jelenlegi célja csak a kvantumeffektusok gyakorlati megvalósíthatóságának igazolása volt, a megközelítés egy napon a mainál sokkal jobb hatásfokú napelemek kidolgozásához vezethet. A létrehozott vírusok egyelőre csak a fény begyűjtésére és energiájának továbbítására képesek, annak átalakítására nem, de reakciós központok hozzáadásával ez is megoldódhat.

https://ipon.hu/hir/virusok_segithetnek_a_napenergia_jobb_hasznositasaban/35261