Fotonen maken in twee ‘kanalen’ (a en b) elektronen vrij voor de machine (M) (afb: Nathaniel Gabor and Tamar Melen)

Onderzoekers van de universiteit van Californië in Riverside zouden kwantum-mechanica en fotosynthese tot symbiose hebben gebracht bij hun ‘kwantumwarmte-machinefotocel’. Die zou geen last hebben van de schommeling in het lichtaanbod en daarom alleen al efficiënter zijn dan de aloude siliciumcel. Hoe hoog het rendement van de fotosynthecel is vertelt het verhaal niet, mogelijk wel waarom planten groen zijn.

Nathan Gabor had zich ooit geworpen op de experimentele natuurkunde. Met licht probeerde hij de fundamentele wetten van de kwantummechanica te toetsen. Op een dag werd hij gegrepen door fotosynthese, het listige systeem waarmee planten en sommige micro-organismen direct energie halen uit zonlicht. Waarom zijn planten groen, vroeg hij zich. Niemand bleek echt het antwoord te weten. Ik neem aan dat hij daarmee doelde op de betekenis van de groene kleur, niet waar die vandaan komt (van bladgroen oftewel chlorofyl).
Hij dook in de boeken om zich de nodige biologische kennis eigen te maken. Vervolgens vroeg hij zich af of we zo’n systeem als fotosynthese zouden kunnen maken voor zonnecellen, zodat die beter de schommeling in de lichtintensiteit kunnen opvangen dan de huidige siliciumcellen. Planten hebben daar geen moeite mee, maar de huidige, goedkope siliciumcellen wel. Het rendement daarvan, nominaal zo’n 20%, wordt omlaag gehaald door aan die energieaanbodschommeling technisch een mouw te passen.

Kwantumwarmtemachinefotocel

Gabor en zijn collega’s ontwikkelden een cel die daarvan net zo min last had als planten: de, wat zij noemden, kwantumwarmtemachinefotocel. Dat was geen opzet, als ik het persbericht goed interpreteer. Ze vonden, staat daar, namelijk tot hun verrassing dat hun cel de schommeling in lichtintensiteit aan kon zonder dat er een actieve terugkoppeling of regelsysteem nodig was. Bij de huidige zonnecellen zijn daarvoor spanningsomvormers en regelsystemen nodig en dat, het is al gezegd, gaat stevig ten koste van het rendement.
De onderzoekers wilden de simpelste fotocel ontwikkelen: een die alleen een bepaalde lichtfrekwentie absorbeerde zo dicht mogelijk in de buurt van de gemiddelde energievraag, waarmee energiefluctuaties konden worden opgevangen om energiepieken te voorkomen.
Ze vergeleken de twee eenvoudigste. Een cel die alleen een lichtfrekwentie absorbeerde en een die tweelichtfrekwenties absorbeerde. Ze ontdekten als ze in plaats van een twee fotonabsorberende kanalen gebruikten, de ontstane energiestroom in de cel vanzelf werd gereguleerd.

Het idee is dat als in het ene kanaal het energieaanbod van het licht met die ene frekwentie hoog is, dat bij het andere kanaal laag zal zijn (waarom, moet je mij niet vragen). De fotocel schakelt tussen hoog en laag energieaanbod om de schommelende niveaus van lichtaanbod om te zetten in een gelijkmatige opbrengst.

Groen licht

Toen de onderzoekers die simpele modellen gebruikten in combinatie met het gemeten zonnespectrum op het aardoppervlak, ontdekten ze dat de absorptie van groen licht, het felst stralende deel van het zonnespectrum, geen regeltechnisch voordeel heeft en daarom vermeden moest worden. Ze optimaliseerden de fotocel om de effecten van lichtschommelingen te minimaliseren en vonden dat het absorptiespectrum bijna identiek is aan het absorptiespectrum bij fotosynthese in groene planten.
De onderzoekers denken dat de automatische regeling van de energie in hun fotocel ook een rol speelt in de fotosynthese. Dat zou misschien ook de verklaring van de groene kleur zijn van veel planten.
Andere onderzoekers zouden recentelijk hebben gevonden dat verschillende molecuulstructuren, zoals die van chlorofyl a en b, wezenlijk kunnen zijn bij het voorkomen dat zich energie ophoopt in de planten. Die ophoping zou hun dood betekenen. De molecuulstructuur van de fotocel van de Californische onderzoekers zou veel overeenkomsten vertonen met de structuur van fotosynthesemoleculen, inclusief die van chlorofyl (bladgroen).

Gabor en zijn medeonderzoekers zouden voor het eerst de kwantummechanische structuur hebben verbonden met de groenheid van planten. Met die kennis zou ook het mechanisme van die natuurlijke energieregulering kunnen worden onderzocht. Het voornaamste voor de leek en gebruiker is dat er bij de kwantumwarmtemachinefotocel geen extra regelsystemen nodig zijn. Mijn grote vraag is dan onmiddellijk: wat brengt zo ‘groene cel’ op aan energie? Of is die te banaal?

Bron: Science Daily