انرژی خورشیدی دهه‌هاست که دانشمندان و مهندسان را مجذوب خود کرده است. بسیاری کنجکاو هستند که چگونه برگ‌ها با بهره‌وری چشمگیری نور خورشید را جذب کرده و به انرژی تبدیل می‌کنند.
نقش اثرات کوانتومی در عملکرد گیاهان
فرآیند فتوسنتز، که مسئول جذب انرژی در گیاهان و سایر موجودات سبز است، از مکانیک کوانتومی ظریفی برای جلوگیری از اتلاف انرژی استفاده می‌کند. این ارتباط میان رویدادهای مولکولی و فیزیک پیشرفته در گذشته غیرواقعی به نظر می‌رسید، اما تحقیقات جدید در حال تغییر این دیدگاه است.
تحقیقات پروفسور یورگن هاور از دانشگاه فنی مونیخ و محقق اول، اریکا کیل، نشان می‌دهد که حالت‌های مولکولی ظریف، قدرت بیشتری نسبت به آنچه انتظار می‌رفت دارند. مشاهدات روی مولکول‌های کلروفیل نشان می‌دهد که الکترون‌ها بدون مانع از یک سطح انرژی به سطح دیگر منتقل می‌شوند.
وقتی نور وارد برگ می‌شود، تغییرات الکترونیکی در هر رنگدانه ایجاد می‌شود. به جای پراکنده شدن انرژی، سیستم مسیرهایی پیدا می‌کند که تلفات را به حداقل می‌رسانند.
آیا صفحات خورشیدی می‌توانند از بهره‌وری انرژی برگ‌ها تقلید کنند؟
توسعه‌دهندگان صفحات خورشیدی رویای تقلید از روش‌های طبیعی انتقال انرژی در برگ‌ها را دارند. استراتژی‌های پایه‌ای که از گیاهان وام گرفته می‌شوند، ممکن است به بهبود دستگاه‌هایی که با مشکلاتی مانند انعکاس، گرما و سایر موانع روبه‌رو هستند، کمک کنند.
در طبیعت، رنگدانه‌ها نور را در طیف وسیعی از طول موج‌ها جذب می‌کنند. محققان در تلاشند تا آنالوگ‌های مصنوعی ایجاد کنند که پوشش طیفی بهتری داشته باشند و کمترین تلفات انرژی را تجربه کنند.
برخی از سیستم‌ها از مولکول‌های آلی ویژه‌ای برای شبیه‌سازی کلروفیل استفاده می‌کنند. برخی دیگر سعی دارند اجزای زیستی را با ساختارهای مصنوعی ترکیب کرده و سلول‌های خورشیدی ترکیبی بسازند.
چرا مراحل کوانتومی اهمیت دارند؟
فیزیک کلاسیک به تنهایی نمی‌تواند سرعت و کارایی جذب نور را به‌طور کامل توضیح دهد. دانشمندان معتقدند که پدیده‌ای به نام همدوسی کوانتومی، حتی اگر برای مدت کوتاهی رخ دهد، می‌تواند مسیر بهینه‌ای برای انتقال انرژی ایجاد کند.
همدوسی به این معناست که امواج الکترونی برای مدت کافی هماهنگ باقی می‌مانند تا فرآیند انتقال انرژی را هدایت کنند. این لحظات گذرا می‌توانند اتلاف تصادفی انرژی را کاهش داده و آن را به مسیرهای صحیح هدایت کنند.
اگرچه این پدیده کوتاه‌مدت است، اما در باکتری‌ها و جلبک‌های فتوسنتزی مشاهده شده است که نشان می‌دهد یک ترفند جهانی در میان موجودات سبز وجود دارد. مشاهدات نشان می‌دهد که چندین حالت انرژی به روش‌هایی تعامل دارند که با توضیحات کلاسیک قابل توجیه نیست.
بررسی طیف نوری
دانشمندان جذب کلروفیل در برگ‌های گیاهان را در دو منطقه اصلی طیفی به نام باند Q و باند B دسته‌بندی می‌کنند. هر برگ از این مناطق برای جذب طول موج‌های مختلف نور استفاده می‌کند و امکان جمع‌آوری انرژی از بخش‌های مختلف طیف خورشیدی را فراهم می‌سازد.
مطالعات نشان می‌دهند که این باندها به‌صورت مستقل عمل نمی‌کنند. بلکه از طریق اتصالات کوانتومی با یکدیگر ارتباط برقرار کرده و باعث جریان پایدار انرژی در داخل برگ می‌شوند.
هنگامی که انرژی به سطوح الکترونیکی پایین‌تر می‌رسد، خنک‌سازی انرژی اضافی را به‌صورت گرما دفع می‌کند. این فرآیند تضمین می‌کند که سیستم پایدار باقی بماند و از آسیب ناشی از تحریک بیش از حد جلوگیری شود.
چالش‌های مشاهده آزمایشی
ثبت وقایعی که در چند تریلیونیم ثانیه رخ می‌دهند، کار ساده‌ای نیست. طیف‌سنجی فوق سریع از پالس‌های لیزری برای متوقف کردن این لحظات و ترسیم جریان انرژی استفاده می‌کند.
محققان باید داده‌های پیچیده‌ای را تجزیه و تحلیل کنند، زیرا مولکول‌های کلروفیل هنگام انتقال انرژی دچار لرزش و چرخش می‌شوند. مدل‌سازی دقیق به رمزگشایی این سیگنال‌ها و تفکیک حالت‌های همپوشان کمک می‌کند.
شبیه‌سازی‌های پیشرفته نیز طراحی آزمایش‌های آینده را هدایت می‌کنند. این رویکردهای ترکیبی مسیرهای پنهانی را آشکار می‌کنند که به طبیعت کمک می‌کند از تلفات بزرگ اجتناب کند.
فیزیک برگ‌ها و فناوری خورشیدی
درس‌هایی که از گیاهان گرفته می‌شود، اغلب الهام‌بخش استراتژی‌های جدید در آزمایشگاه هستند. دانشمندان نمونه‌های اولیه‌ای می‌سازند تا ببینند آیا می‌توانند از ویژگی‌های کوانتومی مشابه آنچه در برگ‌ها یافت می‌شود، استفاده کنند یا خیر.
یک ایده این است که رنگدانه‌های مصنوعی را در آرایه‌های تخصصی قرار دهند تا چینش کلروفیل در مجتمع‌های فتوسنتزی را تقلید کنند. رویکرد دیگر، تعبیه این رنگدانه‌ها در مواد پایدار برای ایجاد سیستم‌های مقاوم در برابر نور است.
اگرچه هنوز هیچ دستگاهی نمی‌تواند به کارایی برگ‌ها برسد، اما پیشرفت در کنترل تعاملات مولکولی نشان‌دهنده مسیری به جلو است. هدف نهایی این است که انتقال انرژی تقریباً بدون اتلافی که در طبیعت وجود دارد، در مقیاس بزرگ بازتولید شود.
کشفیات کوانتومی در برگ‌ها
تقاضای جهانی برای انرژی تجدیدپذیر به‌شدت افزایش یافته است. پنل‌های خورشیدی جایگزین قابل‌اعتمادی برای سوخت‌های فسیلی هستند، اما همواره بهبود آن‌ها مورد استقبال قرار می‌گیرد.
درک رفتار کوانتومی در ساختار برگ‌ها ممکن است نرخ جذب انرژی خورشیدی را افزایش داده، هزینه‌ها را کاهش داده و میزان خروجی را افزایش دهد. بهره‌وری بالاتر به معنای تولید انرژی بیشتر از مقدار کمتر نور خورشید است که برای هر منطقه‌ای سودمند خواهد بود.
دستگاه‌های مبتنی بر فناوری کوانتومی همچنین می‌توانند برای محیط‌های نوری خاص تنظیم شوند، درست مانند گیاهانی که در سایه یا نور شدید رشد می‌کنند. مهندسان پتانسیل توسعه سیستم‌های انعطاف‌پذیری را می‌بینند که با شرایط متغیر سازگار شوند.
سؤالات بسیاری باقی مانده است
دانشمندان همچنان در حال بحث هستند که این حالت‌های کوانتومی تا چه مدت در شرایط زیستی طبیعی باقی می‌مانند. برخی اندازه‌گیری‌ها نشان می‌دهند که همدوسی کوانتومی بیش از حد انتظار پایدار می‌ماند، در حالی که برخی دیگر مدت زمان بسیار کوتاهی را گزارش می‌کنند.
بسیاری معتقدند که محیط پروتئینی اطراف کلروفیل، این حالت‌ها را به اندازه‌ای پایدار نگه می‌دارد که انتقال انرژی را هدایت کند. مشخص کردن عواملی که همدوسی را افزایش یا کاهش می‌دهند، یکی از اهداف اصلی تحقیقات است.
تلاش برای شفاف‌سازی سیستم‌های پیچیده
زیست‌شناسی کوانتومی تنها به مولکول‌های منفرد محدود نمی‌شود. این شاخه علمی بررسی می‌کند که چگونه شبکه‌های کامل از رنگدانه‌ها و پروتئین‌ها با یکدیگر همکاری می‌کنند تا انرژی را هدایت کنند.
هماهنگی میان نظریه و آزمایش به مدل‌های دقیق‌تری منجر می‌شود. هر کشف جدید درک ما از کارایی بالای گیاهان را بهبود می‌بخشد.
جهت‌گیری‌های آینده تحقیق
دانشمندان می‌خواهند اثرات کوانتومی را فراتر از فتوسنتز مهار کنند. برخی، مفاهیمی از رایانش کوانتومی را تصور می‌کنند که برای پردازش داده‌ها از پدیده‌های مشابه استفاده کند.
این ارتباطات یادآور قدرت آموزش از طبیعت است. مطالعه کلروفیل همچنان بر حوزه‌هایی مانند فوتونیک و علم مواد تأثیر می‌گذارد.
درک عمیق‌تر از ساختار برگ‌ها و نحوه انتقال انرژی ممکن است راه را برای نسل بعدی فناوری‌های خورشیدی هموار کند.
