تحقیقات تازه ای در حال روشن سازی روش های انتقال انرژی خورشیدی از طریق گیاهان سبز و دیگر موجودات فتوسنتزی با کارایی بالا است. یافته های اخیر همچنین بر اهمیت مکانیک کوانتومی در فراهم آوردن امکان جابجایی تقریبا بدون تلفات انرژی از حالت جذب نور به ذخیره سازی انرژی به شکل شیمیایی تاکید دارد.
این پدیده، مدتهاست که موضوعی برای تلاش های مهندسان در شبیه سازی و به کارگیری موثر انرژی پاک بوده است.
به نقل از آی ای، پروفسور یورگن هاوئر (Jürgen Hauer)، یکی از نویسندگان این تحقیق بیان می کند که زمانی که نور در برگ جذب می شود، انرژی الکترونیکی تحریک شده در چندین حالت از هر مولکول کلروفیل پراکنده می گردد که به این حالت برهم نهی گفته می شود.
این مرحله ابتدایی انتقال انرژی بدون تلفات درون و میان مولکول ها می باشد و امکان بهینه سازی انتقال انرژی خورشیدی را فراهم می آورد. بنابراین، مکانیک کوانتومی در درک مراحل ابتدایی انتقال انرژی و جداسازی بارها نقشی بسیار حیاتی دارد.
شناخت ترفندهای کوانتومی به کار رفته در طبیعت
مدت هاست که گیاهان و باکتری های فتوسنتزی توانایی خود را در تبدیل انرژی به وضوح نشان داده اند و فیزیک کلاسیک در تلاش است که آن را به طور کامل توضیح دهد. هدف از این تحقیق شناسایی عواملی است که کلروفیل، رنگدانه سبز برگ ها، را به یک برداشت کننده نوری قدرتمند تبدیل کرده است.
هاوئر و اریکا کیل، نویسنده اول، عنوان می کنند که این یافته ها به درک عمیق تری از انتقال انرژی در مقیاس کوانتومی می افزایند، دانشی که در تئوری می تواند به پژوهشگران کمک کند تا واحدهای فتوسنتز مصنوعی بهینه برای بهره برداری از انرژی خورشیدی توسعه دهند.
محققان با تمرکز بر روی دو بخش از طیف جذب کلروفیل، شامل ناحیه کم انرژی (زرد تا قرمز) و ناحیه پر انرژی (آبی تا سبز) به بررسی پرداختند. در ناحیه کم انرژی، دو حالت الکترونیکی نزدیک به هم به صورت مکانیکی کوانتومی جفت می شوند که این تعامل نقش کلیدی در انتقال تقریبا بدون تلفات انرژی ایفا می کند.
این سیستم برانگیخته به دنبال آن با انتشار گرما از حالت برانگیخته خارج می شود. نویسندگان این مرحله «خنک کردن» را به عنوان انتقال مهمی از یک حالت پرانرژی به حالتی با انرژی کمتر اما بدون اتلاف انرژی توصیف می کنند.
همان طور که هاوئر اشاره دارد، طبیعت راهی فوق العاده برای تبدیل انرژی دریافتی از خورشید به انرژی شیمیایی پیدا کرده است. درک پیچیدگی های تعاملات حالات کوانتومی در کلروفیل می تواند به دانشمندان یاری رساند تا روش های مشابهی برای تولید برق یا فتوشیمی کارآمد ایجاد نمایند.
تحقیقات در زمینه این مکانیسم ها همچنان ادامه دارد، اما نویسندگان این یافته ها را گامی مهم در جهت شبیه سازی شاهکارهای طبیعی معرفی می کنند که به طور بالقوه می تواند منجر به تولید انرژی های تجدیدپذیر به صورت کارآمدتری شود. این مطالعه با روشن کردن نحوه عملکرد گیاهان در سطوح زیراتمی، می تواند جهت گیری نوآوری های آینده در زمینه جذب انرژی خورشید را ممکن سازد.