Квантовите ефекти на растенията ще помагат на батериите

В обикновените слънчеви батерии фотоните се поглъщат от молекули, които след това изпускат електрони, което в крайна сметка превръща светлинната енергия в електрическа.

Значителна част от електроните се абсорбират, отслабвайки по такъв начин ефективността на батерията.

Природата отдавна е изобретила значително по-ефективни слънчеви батерии – най-обикновените растения. Всъщност обикновената трева, водораслите и бактериите превръщат светлинната енергия в електрическа със зашеметяваща ефективност, недостижима за съвременната техника.

Такъв коефициент на полезно действие на растенията е необясним от гледна точка на класическата физика. Експерименти показват, че при фотосинтезата се използва известният квантов ефект суперпозиция на частиците – грубо казано, електроните могат да се намират едновременно на няколко места или се въртят в две противоположни посоки.

„За нас това е напълно неочаквано – оказва се, че биологичните системи използват законите на квантовата механика при фотосинтезата“, признава Анди Паркър, физик от Кеймбриджкия университет.

Сега много учени се опитват да приложат принципа на фотосинтезата за направата на ефективни слънчеви батерии. Паркър и колегите му са разработили сравнително прост метод с прилагането на квантовите ефекти за повишаване на коефициента на използването на слънчевата светлина.

Моделираният от тях модел се състои от три молекули, две от които са донори – те поглъщат фотони и изпускат електрони. Третата молекула е акцептор – тя поглъща електроните, получени от първите две.

Молекулите донори взаимодействат помежду си чрез своите електрични полета – електроните в техните атоми се настройват един към друг от разстояние, като малки магнити. Това взаимодействие води дотам, че донорските молекули фактически „делят“ едни с другите електроните според принципа на квантовата интерференция.

Квантовата интерференция води до това двата донора ефективно да поглъщат светлината, като рекомбинация на електрони при тяхното изпускане практически не настъпва. Според изчисленията на учените такава система позволява да се произвежда с 35% повече електроенергия, отколкото обикновена слънчева батерия, работеща по законите на класическата физика.

Предложеният модел все още съществува само на теория и се очаква неговата реализация на практика да се сблъска с трудности.

Откритието на Паркър и колегите му е публикувано в сп. Physical Review Letters.