Растения до конца не познанная сложная система. Одно из проявлений данной системы биоэлектрогенезис, способность генерировать биоэлектрический потенциал. В настоящее время нет стройной концепции объяснения причин возникновения биопотенциала, механизма данного природного явления, оценки функционального значения и оценка роли в протекании жизненных функций, но существуют разработки, использующие данное свойство биологического объекта на практике.

Электричество на основе транспирации

Английский исследователь Майкл Манарбис с группой ученых разработал биогенератор постоянного тока, имитирующий растение. Созданная система альтернативной электроэнергии, основана на транспирации – естественном процессе перемещения влаги от корней к листьям и ее испарения с поверхности листьев. Главный элемент, аккумулирующий электричество – искусственные стеклянные листья – две стеклянные пластины с сеткой тончайших капилляров. Капилляры листьев, покрытые тонким слоем металла, собираются в стебле в каналы и соединяются в электрическую цепь. Электричество генерируется непосредственно в стеблевом канале с металлическими стенками. Две металлические пластины с прослойкой воды между ними образуют электрический конденсатор. Ток воды в капилляре периодически бомбардируется пузырьками воздуха. Каждый раз, когда проскакивает пузырек с воздухом, из-за различий в электрических свойствах воды и газов создается разность потенциалов между металлическими пластинами, и возникает электрический ток. В настоящий момент исследователь работает над оптимизацией прибора для увеличения его мощности.

1

Растения в роли биоаккумулятора

2

Растения как альтернативный источник энергии

Электричество на основе фотосинтеза

Американские физики и биотехнологи из университета штата Джорджия решили объединить две идеи: принцип процесса фотосинтеза применить в электротехническом устройстве. Преподаватель университета Рамараджа Рамасами утверждает, что растения по полезному применению солнечной энергии несравнимы ни с одним техническим устройством. Квантовая эффективность практически любого зелёного организма близка к 100 % – сколько фотонов поглощается, столько и электронов выделяется. Для сравнения, современные солнечные батареи работают с эффективностью 12…17 %. В процессе фотосинтеза молекулы воды под действием солнечного света расщепляются на водород и кислород, и при этом образуется множество свободных электронов. Они в дальнейшем используются в производстве глюкозы, обеспечивающей растениям и пищу, и строительный материал. Рамараджа Рамасами объясняет, что они нашли способ прерывать фотосинтез так, чтобы улавливать электроны до того, как они будут израсходованы на производство углеводов. Изменив структуру особых органоидов растительных клеток – тилакоидов, содержащих белок хлорофилла. Трансформировав часть клетки, учёные добились изменения направлений электронных потоков в них, модифицированные тилакоиды «наживляются» на углеродные нанотрубки. Поскольку углерод – токопроводящий материал, то по нему электроны попадают непосредственно на провод.

4

Процесса фотосинтеза применим в электротехническом устройстве

Национальный институт промышленных исследований и технологий Японии (AIST), корпорация Mitsubishi и компания Tokki вследствие объединенных исследований в сфере тонкопленочных солнечных батарей смогли создать новый тип фотоэлементов. Основным преимуществом таких фотоэлементов является их феноменальная тонкость. Большую часть толщины батареи составляет пластиковая подложка, оберегающая элементы от воды, а рабочий слой по толщине не превышает и миллиметра. Органические тонкопленочные солнечные батареи состоят из пластиковой подложки, фталоцианинового (пигментного) слоя и слоя фуллеренов. Инженеры AIST связали восемь таких солнечных элементов в единый модуль, выполненный в виде листа растения площадью 60 см2, а листья в дерево.

5

Искусственный лист – органические тонкопленочные солнечные батареи

Доктор Даниэль Ночера, возглавляющий исследовательскую группу в Массачусетском технологическом институте говорит, что создание действующей копии листа растения было одной из задач. В искусственном листе под действием солнца вода расщепляется на два ее компонента, водород и кислород, которые хранятся в топливном элементе и далее преобразуются в электричество. Устройство не является полной копией листьев растений, он является прототипом для разработки нового типа солнечных батарей. Искусственный лист сделан из недорогих широкодоступных материалов, работает в простых условиях и является весьма стабильным. В лабораторных исследованиях прототип искусственного листа может непрерывно работать 45 часов.

6

Искусственный лист, является прототипом нового типа солнечных батарей

Израильская компания Solgic, разработала искусственное дерево eTree с солнечными панелями вместо ветвей. Используя солнечную энергию, устройство eTree производит энергию, которую можно использовать для работы сети Wi-Fi и подзарядки мобильных устройств. В тёмное время суток солнечные панели могут служить в качестве освещения улицы в течение всей ночи. Стоимость одного такого устройства составит порядка $100 000, а его энергии будет достаточно для одновременной работы 35 ноутбуков.

7

Из солнечной энергии, устройство eTree производит электроэнергию

Электричество из мха

Швейцарский дизайнер Фабьен Felder разработал с учеными из Кембриджского университета Паоло Бомбелли и Росс Деннис устройство в котором использовались растения качестве «биологических панелей солнечных батарей». Экспериментальное устройство является источником питания для обычного радиоприемника. Теоретически любой фотосинтезирующий биологический объект может быть использован в качестве биологической панели солнечных батарей.

8

Биологические панели солнечных батарей

9

Биологические панели солнечных батарей

Электричество на основе био-электрохимических процессов

На основе технологии BPV, что означает био-фотоэлектрическая (bio-photovoltaic – BPV), разработано устройство вырабатывающее электричество из энергии света, используя фотосинтез живых организмов, таких как цианобактерии, мох, водоросли и сосудистые растения. На рисунке представлена демонстрационная модель в виде стола для практического использования. В настоящее время энергия, вырабатываемая устройством, не достаточно для питания мощных приборов, типа искусственного источника света. Технология BPV находится на ранней стадии развития, имеются значительные технические препятствия, которые необходимо преодолеть, прежде чем такие продукты станут коммерчески жизнеспособными. Однако, такое устройство в виде стола вполне справляется с обеспечением энергии для маленьких электронных часов. Мох производит около 50 мВт/м2, что сопоставимо около 520 Дж энергии в день. Для среднего ноутбука требуется около 25 Дж/сек. Ученые предполагают, что в будущем устройство сможет генерировать до 3 Вт/м2. Данная проблема решается в двух направлениях повышение мощности разработанного устройства и снижение энергопотребления ноутбуков. В настоящее время разрабатываются ноутбуки пониженного потребления энергии например, XO-1, производства Quanta Computer, которые могут работать, потребляя лишь 1 Вт. Фотосинтез является процессом, при котором растения и водоросли превращают углекислый газ из атмосферы в органические соединения с использованием энергии оптического излучения. Растения используют органические соединения углеводов, белков и липидов, чтобы развиваться. Когда мох фотосинтезирует, он отдает некоторые из органических соединений в почву, содержащую бактерии. Бактерии расщепляют органические соединения, освобождая побочные продукты, включая электроны. Электроны захватываются проводящими волокнами устройством внутри стола и используются в виде электричества. В роли био-электрохимического устройства выступают горшки с мхом, которые преобразуют химическую энергию в электрическую с использованием биологического материала. Каждый горшок генерирует потенциал около 0,4…0,6 В и ток 5…10 мкА. Устройства BPV могут быть построены с использованием цианобактерий, водорослей и сосудистых растений.

13

Био-фотоэлектрическая технологии BPV (bio-photovoltaic – BPV)

14

Био-фотоэлектрическая технологии BPV (bio-photovoltaic – BPV)

Сербский промышленный дизайнер Марко Вукович создал автономный светильник использующий усовершенствованный метод гидропоники для выращивания растений, которые являются источником электроэнергии для встроенных ламп. В свою очередь сам светильник воздействует на растения поддерживания в них процесс фотосинтеза.

15

Автономный светильник дизайнера Марко Вукович

16

Автономный светильник дизайнера Марко Вукович

Биологическая фотогальваническая батарея

Студентка Каталонского Института прогрессивной архитектуры (IAAC) дизайнер Елена Митрофанова и биохимик Паоло Бомбелли разработали проект энергоэффективного устройства, вырабатывающего электричество. В роли био-электрохимического устройства выступает конструкция фасадных панелей с мхом, которые преобразуют химическую энергию в электрическую с использованием биологического материала. Данная технология имеет массу прогрессивных достоинств. Биологическая фотогальваническая батарея требует меньших затрат на производство по сравнению с солнечными батареями, более экологична, безопасна для окружающей среды, самовосстанавливающаяся. Такие панели могут работать в климатической полосе, где для солнечных батарей не хватает солнечного света. Представленный прототип из 16 ячеек может вырабатывать 3 В, что вполне хватает для светодиодного освещения в жилом доме.

17

Биологическая фотогальваническая батарея

18

Биологическая фотогальваническая батарея

Электричество из фотосинтеза растений

Голландская компания Плант-и (Plant-e) разработала устройство, вырабатывающее электричество с использованием фотосинтеза растений Голландцы нашли данному изобретению практическое применение. В Амстердаме Плант-и запустили проект «Звёздное небо (Starry Sky)», благодаря которому три сотни придорожных лампочек теперь питаются электричеством от коробок с травой. Производительность такого аккумулятора один квадратный метр растений может произвести 28 кВт·ч в год. Рамараджа Рамасами (Ramaraja Ramasamy) адъюнкт-профессор Колледжа инженерии Университета Джорджии рассказывает, что Plant-e использует так называемую «осадочную микробную топливную батарею». Растения воднно-болотного вида высаживаются в специальные пластиковые контейнеры, площадь которых равна приблизительно 0,25 м2. Эти растения интенсивно растут и за счет процессов фотосинтеза вырабатывают некоторые виды сахаристых соединений. Их количество существенно превышает потребности самого растения в сахаре, поэтому его излишки «сбрасываются» через корневую систему, обратно в субстрат. Сахар из почвы достаточно активно реагирует с атмосферным кислородом, и в ходе протекающей химической реакции образуется множество свободных электронов. Вырабатываемого при этом электричества, «собранного» электродами в почве, достаточно для того, чтобы обеспечить потребности светодиодных осветительных приборов, точек доступа Wi-Fi или зарядки аккумуляторных батарей мобильных электронных устройств. Разработчики заверяют, что экологически чистая биотехнология получения электричества в скором времени будет пользоваться спросом.

19

Устройство голландской компании Плант-и (Plant-e)

20

Устройство голландской компании Плант-и (Plant-e)

Электричество из рисовых полей

В Университете Вагенингена (Нидерланды) разработали и запатентовали прогрессивную систему производства электроэнергии. Для этой цели предложили использовать влаголюбивые растения, такие как рис. В настоящее время продвижением этой технологии занимается компания Plant-e, основанная в 2009 году. По словам учредительницы этой фирмы Маржолейн Хельдер, данный метод производства электроэнергии позволит снабдить электричеством отдаленные деревни и поселки в разных странах мира. При этом, по ее мнению, данный экологический источник энергии предпочтительней, чем солнце и ветер, т.к. им можно воспользоваться ночью или в тихую погоду. Все, что нужно для производства электричества, – это растения, которые выращиваются с избытком влаги – на мангровых болотах, рисовых полях или просто на влажных садовых грядках.

21

Источник электричества рисовые поля

Электричество из симбиоза растений и улиток

Исследователи из Соединенных Штатов Америки и Израиля улиток рассматривают как живые сенсоры и как источники питания для микросхем, с целью использования животных в мобильные датчики для контроля и мониторинга окружающей среды. От микросхем ученые вывели контакты анода и катода через небольшие отверстия в раковине. В результате в течение тридцати минут от каждой улитки получили мощность до 8·10-3 Вт. Находясь на таком небольшом уровне мощности, улитка в процессе жизнедеятельности может длительное время вырабатывать электрическую энергию. Кроме того производство электрической энергии не наносит большого вреда самой улитке. В лабораторных условиях улитки осуществляли выработку электрической энергии на протяжении нескольких месяцев подряд.

22_

Источник электричества улитка и растения

Активная Модульная Фиторемедиация, или AMP

Организация системы очистки воздуха и вентиляции в помещении является неотъемлемой составляющей современного дизайна. Высокотехнологичные системы микроклимата стоят дорого (установка, эксплуатация. ремонт), а естественная вентиляция зачастую не дает желаемого результата. Исследователи из Центра архитектуры, науки и экологии (CASE) предложили новую технологию на основе гидропоники, которая помогает ризосфере растения очищать воздух более эффективно. Эта система получила название Активная Модульная Фиторемедиация, или AMP, которая может стать достойной альтернативой современным дорогостоящим системам очистки воздуха и будет способствовать значительному снижению энергопотребления здания. Система AMP состоит из перфорированного и ирригированного листа пластика, запрессованного в вакуум-камере. Изготовленный таким образом лист пластика позволяет выращивать гидропонные растения даже на открытом воздухе. Растения помещаются в отверстия, а специально разработанная форма стены фокусирует поток загрязненного воздуха прямо к открытым корням, где ризосферы и выполняют свое основное предназначение. Микроорганизмы, живущие на корнях, поглощают летучие органические соединения и другие загрязнители, образуя при этом нетоксичные вещества. После фильтрации очищенный воздух возвращается через систему AMP в помещение. Как утверждают ученые из CASE, система может уменьшить уровень содержания загрязняющих веществ в офисе на 80 %. Таким образом, практически отпадает необходимость снабжение в здание свежего воздуха извне, что в свою очередь позволит уменьшить энергопотребление системы вентиляции на целых 60 процентов.

23

Активная Модульная Фиторемедиация, или AMP

23_

Активная Модульная Фиторемедиация, или AMP

Французский дизайнер Патрик Наду (Patrik Nadeau) автор необычных проектов использующих растения, как полноценный элемент повседневной жизни. Одна из воплощенных идей автора экологическая зеленная крыша.

24

Зеленые технологии – экологическая растительная крыша

Не менее интересный проект, использующий растения в комнате для ванной и туалета. Использованная вода не сбрасывается в канализацию, а очищается фильтрами и растениями. Замкнутый контур из фильтров и растений позволяет использовать воду вторично, но самое важное в процессе очистки не используются химические реагенты. Очищающие воду растения питаются человеческими отходами и украшают комнату.

25

Зеленые технологии – экологический санузел

Разработка французского дизайнера Mathieu Lehanneur и профессора Гарвардского университета David Edwards, создавших очиститель воздуха на основе растений Новый экологический очиститель The Andrea Air Purifier применяет способность растений синтезировать кислород и схватывать из окружающего воздуха загрязненные частицы. Растение помещается в креативный корпус из пластика, оснащенный лотком с водой и светодиодной лампой. Встроенный вентилятор прогоняет воздух через объем с растениями, почву и воду. В результате все токсичные вещества задерживаются в воде, а в помещение поступает очищенный и богатый кислородом воздух. Высокая эффективность очистителя с низким потребление электричества.

26

Экологический очиститель The Andrea Air Purifier
применяет способность растений