Фотосинтез і магнетизм як альтернативні джерела енергії, Газета.

10.07.2015

Фотосинтез і магнетизм як альтернативні джерела енергії

Фотографія: instablogsimages.com

17.10.2011, 17:11 | Лектор: Сулейман Аллахвердієв

Про завдання, які стоять перед вченими на шляху створення джерел енергії на базі природних фотосинтетичних систем, а також про створення унікальних магнитотепловых двигунів у своїй лекції на «Газеті.Ua» розповідає доктор біологічних наук Сулейман Аллахвердієв.

Енергія фотосинтезу — людям

Одним з можливих шляхів вирішення енергетичної проблеми людства може бути «вдосконалення» водорасщепляющей системи, що живиться енергією сонячного світла, засноване на знанні молекулярних механізмів функціонування фотосинтезу рослин. Було б корисно імітувати структурні характеристики багатоядерного марганецьвміщуючої центру, що входить до складу кисень-виділяє комплексу природного фотосинтезу.

Такі спроби дали б більш глибоке розуміння молекулярного механізму процесу виділення кисню при фотосинтезі і хороше керівництво для кращої розробки штучних каталізаторів для процесу виділення кисню.

Оскільки виділення молекулярного кисню — це ключова особливість процесу фотохімічного розщеплення води, то биоподобный підхід при вирішенні питання створення штучних каталізаторів процесу виділення кисню є надзвичайно перспективним.

На шляхи вирішення енергетичної проблеми людству слід навчитися змінювати властивості білка, який бере участь у виділенні кисню і відновлення хинона (на малюнку — молекула під цифрою 2). Модифікація цього білка з допомогою штучних молекул дозволить поліпшити його функції і навіть створити. На цьому шляху необхідно вирішити як мінімум кілька основних завдань, схематично представлені на рисунку.

Поліпшити роботу кисень-виділяє комплексу (КВК).

КВК фотосистеми 2 — єдиний у своєму роді природний ферментний комплекс, здатний здійснювати розщеплення води і виділення молекулярного кисню.

Проте в ізольованому вигляді КВК не може бути використаний в якості технічного пристрою внаслідок його надзвичайно обмеженою стабільності. Для того щоб підвищити стабільність і функціональну активність КВК ФС-2, необхідно провести цілий ряд досліджень по реконструкції так званого апо-КВК (тобто КВК, позбавленого зовнішніх водорозчинних білків і атомів Mn) з допомогою штучних металлсодержащих органічних комплексів. Щоб підвищити стабільність і ефективність КВК ФС-2, необхідно синтезувати штучні багатоядерні марганцеві комплекси, що виконують ті ж функції, що і кисень-виділяє центр ФС-2, але володіють більшою стабільністю. Таким чином, задача розбивається на дві: синтез комплексів, що імітують природні, але мають більшу стабільність, і їх перевірка в «бойових» умовах — заміна ними природних комплексів у складі природного ж КВК ФС-2.

Ідея використовувати унікальну стратегію для того, щоб вирішити дану проблему, а саме провести реконструкцію кисень-виділяють комплексів безмарганцевых препаратів ФС-2, використовуючи синтетичні марганецсодержащие комплекси, представляється досить плідною. На відміну від реконструкції гем-вмісних ферментів, таких як міоглобін, синтетичні марганецсодержащие комплекси діють як «переносники» іонів марганцю до реакційного центру ферментів, з яких іони марганцю були видалені.

Нами було встановлено, що властивості синтетичних марганецьвмістских комплексів (структура, валентність) безпосередньо впливають на каталітичну активність реконструйованої ФС-2.

Було висловлено припущення, що метод реконструкції безмарганцевых препаратів ФС-2 за допомогою штучних марганецьвмістских комплексів дозволить дослідити структурні вимоги до штучних марганецсодержащим комплексів, існуючих в нативному кисень-виділяє центрі. Використовуючи методики синтетичної неорганічної хімії, слід отримати цілий ряд марганецьвмістских комплексів, що мають очікувані структурні властивості, а вимірюючи каталітичну активність реконструйованої ФС-2, оцінювати значимість кожного структурного елемента для функції виділення кисню.

Отримана таким чином інформація буде використана для розробки штучних каталізаторів процесу виділення кисню.

Одним з основних перешкод у дослідженні марганецьвмістских комплексів в якості можливих каталізаторів процесу виділення кисню є істотна складність синтезу комплексів з наперед заданою структурою. Іони марганцю мають дивовижну здатність утворювати полімерні структури в розчинах. Внаслідок цього надзвичайно важко контролювати утворення полімерних структур в процесі синтезу марганецьвмістских комплексів. Відомо, що деякі подібні структури метастабильны і можуть бути легко виділені у вигляді чистих сполук, але вони часто виявляються неактивними в якості каталізаторів процесу виділення кисню. Можна припустити, що виділення кисню може катализироваться тільки марганецсодержащим комплексом, мають дуже специфічну структуру, яка сама по собі термодинамічно нестабільна, але лише до тих пір, поки не буде стабілізована особливим оточенням координуючих груп. У вихідній ФС-2 кисень-виділяє центр занурений у полипептидную матрицю і координацію амінокислотами бічних ланцюгів, які фіксуються у вигляді визначеної геометричної структури. На жаль, точна просторова організація бічних ланцюгів ще не з’ясована внаслідок недостатнього дозволу, з яким в даний час отримані дані рентгеноструктурного аналізу. З точки зору хімії синтезу одним з найбільш продуктивних підходів служить поєднання органічного та неорганічного синтезу. Зокрема,

ліганди — особливі органічні молекули, що з’єднуються з атомом металу з утворенням комплексу — з численними координуючими групами, розташованими в заздалегідь певних позиціях, можуть бути отримані шляхом органічного синтезу.

Використовуючи такі ліганди, можна створювати марганецсодержащие комплекси із запланованою структурою. Проте слід також зазначити і те, що на сьогоднішній момент існує лише незначна кількість наукових повідомлень про успішне синтезі багатоядерних марганецьвмістских комплексів, які були отримані за допомогою такого підходу. З цього випливає, що проста інтуїтивна розробка таких органічних складових марганецьвмістских комплексів, можливо, виявиться недостатньою для пошуку лігандів, відповідних передбачуваним структурам. Можливе рішення проблеми полягає у використанні обчислювальної хімії для скринінгу і розробки лігандів. Використовуючи сучасні комп’ютерні програми, можна виявити найбільш перспективні кандидати в ліганди, чого не так легко досягти за допомогою інтуїтивного підходу. Грамотно комбінуючи можливості обчислювальної хімії та хімії синтезу, можна отримувати різноманітні багатоядерні марганецсодержащие комплекси.

Здійснити комплексоутворення з штучним пулом хінонів. У фізіологічних умовах комплекс ФС-2 об’єднаний з особливими хинонами (див. малюнок вище), локалізованими в тилакоидной мембрані (так званий мембранний пул хінонів), з допомогою якого ФС-2 взаємодіє з іншими полипептидными комплексами фотосинтетичного апарату. Для того щоб ФС-2 працювала ізольовано, необхідно створити якісь штучні альтернативи пулу хінонів. Для цієї мети необхідно сконструювати пул хінонів з заданими властивостями і об’єднати його з ФС-2. Починати потрібно з попередніх експериментів з реконструкції відновлює боку ФС-2 (QB-зв’язуючий ділянку). Для того щоб проводити реконструкцію на акцепторном (восстанавливающем) ділянці, варто досліджувати зв’язуючу здатність цілого ряду хінонів та споріднених їм з’єднань QB-зв’язуючою ділянкою білкового комплексу ФС-2. Основним завданням на цей період стане подальша модифікація відновлює боку ФС-2, створення металлсодержащих комплексів з хиноном-«якорем», спроба проведення прямої відновлювальної реакції допомогою каталітичної активності цих металлсодержащих комплексів, отримання молекулярного водню з води як кінцевого продукту цієї відновлювальної реакції.

На останній стадії в результаті цих досліджень ми плануємо створити нові биомолекулярные технічні пристрої за допомогою одночасної модифікації окислюється і відновлює сторін ФС-2 для перетворення сонячної енергії в енергію хімічних зв’язків. З допомогою цих пристроїв буде отримано дійсно повне розщеплення води (на молекулярний кисень і водень) за рахунок енергії сонячного випромінювання.

Таким чином,

буде втілена ідея в стислі терміни розробити нанобиомолекулярное технічний пристрій перетворення енергії світла в хімічну енергію шляхом двосторонньої модифікації білкового комплексу ФС-2. Це перше опубліковане повідомлення про розробку неприродной фотохімічної схеми на основі реконструйованої ФС-2. З іншого боку, повідомлення про реконструкцію ФС-2 з допомогою штучного пулу хінонів до недавнього часу повністю відсутні. Штучні хінони, розроблені Нагатой з співавторами, представляють абсолютно нову концепцію в області фотосинтетичних досліджень. В даний час існує всього кілька груп дослідників, здатних проводити експерименти по реконструкції білкового комплексу ФС-2.

У разі успішного вирішення поставлених завдань суспільство отримає абсолютно нові методи використання сонячної енергії, не залежні від необхідності використання рідкоземельних елементів і/або важких металів.

У майбутньому можна буде перейти до розробки пристроїв для фотохімічної фіксації двоокису вуглецю на основі біоорганічних ресурсів і внести вклад і з точки зору вирішення проблем глобального потепління.

Магнитотепловое енергетичне пристрій

Крім розробки та створення джерел альтернативної енергетики на основі пристроїв, мимикрирующих природний фотосинтез, у багатьох науково-дослідних лабораторіях по всьому світу ведуться пошуки інших можливостей вирішення енергетичних проблем людства. В наших роботах ми не обмежуємо пошук можливих рішень тільки енергетичними пристроями на основі штучного фотосинтезу, але використовують будь-які продуктивні ідеї рішення проблеми. Одним з таких можливих рішень пошуку джерел альтернативної енергетики може стати розробляється моїм колегою, науковим співробітником, кандидатом фізико-математичних наук Володимиром Бедбеновым унікальне магнитотепловое енергетичне пристрій (МТЭУ), що використовує в якості палива теплову енергію навколишнього середовища.

Принцип роботи пропонованих до промислового впровадження безпаливних магнитотепловых пристроїв заснований на використанні магнітних ефектів і явищ, що проявляються у ряді феромагнітних елементів і сплавів, які володіють здатністю спонтанної намагніченості,

і характеризуються сильною залежністю намагніченості від температури. Особливо різко величина намагніченості в таких магнітних матеріалах, вміщених у зовнішнє магнітне поле, в залежності від температури, проявляється в точці Кюрі — Тз, в точці магнітного фазового переходу магнетика з феромагнітного у парамагнітний стан.

Виробництво механічної енергії обертання в безпаливні магнитотепловом пристрої відбувається шляхом періодичного нагрівання — охолодження лопаток ротора, виготовлених з феромагнітного матеріалу, а рушійною силою є тільки сила магнітної тяги.

На сьогоднішній день ми маємо в своєму розпорядженні кількома експериментальними зразками МТД лабораторного типу, виготовленими в різний час з використанням доступних в лабораторних умовах можливостей.

У представлених на малюнках пристроях у якості палива використовується звичайна вода, яка подається на лопатки магнітної турбіни для їх поперемінного нагрівання-охолодження.

Температура води, використовуваної для роботи цих пристроїв, лежить поблизу температури навколишнього середовища, що дозволяє в найближчому майбутньому сподіватися на отримання практично невичерпного, екологічно чистого джерела енергії.

У МТЭУ тепло не витрачається, воно тільки ініціює магнітний фазовий перехід, а потім відбирається, причому навіть трохи в більшій кількості, у зв’язку з магнитокаллорическим ефектом, що проявляється при входженні феромагнітної лопатки в магнітне поле. Подається тепло як би стимулює вивільнення магнітної сили тяги, яка і створює обертовий момент.

З використанням досягнень сучасної промислової технології можна створювати МТЭУ, що володіють потужністю, яка перевищує десятки і сотні КВт.

з іншого боку, з допомогою методів нанотехнології використовуючи принцип роботи МТЭУ, можна створювати наноэлектростанции, які будуть забезпечувати невичерпною енергією нанопристрою або нанодвигатели, що працюють усередині людського (медицина) або іншого природного або штучного організму.

При використанні МТЭУ з метою виробництва механічної і електричної енергії не існує ніяких обмежень на вид або тип джерела низькопотенційного тепла.

наприклад, це може бути тепло, безпосередньо випромінюється Сонцем або акумульоване в воді, в повітрі, в ґрунті, в матеріалах з великою теплоємністю. В рівній мірі це може бути тепло геотермальних вод, океанських течій, відходи тепла, що скидаються в атмосферу в результаті виробничої діяльності людей, і багато іншого.

Короткий опис статті: нові джерела енергії Про завдання, які стоять перед вченими на шляху створення джерел енергії на базі природних фотосинтетичних систем, а також про створення унікальних магнитотепловых двигунів у своїй лекції на «Газеті.Ua» розповідає доктор біологічних наук Сулейман Аллахвердієв. фотосинтез, альтернативна енергетика

Джерело: Фотосинтез і магнетизм як альтернативні джерела енергії — Газета.Ru | Наука

Також ви можете прочитати