Op plant geïnspireerde zonnecel kan zichzelf in elkaar zetten

Een zonnecel die zichzelf kan repareren is ontwikkeld aan het Massachusetts Institute of Technology in Boston. De Amerikaanse onderzoekers kunnen de complexe structuur waaruit hun zonnecel bestaat uit elkaar laten vallen door er een zeepachtige oplossing overheen te spoelen. Als de ‘zeep’ uit de oplossing wordt gefilterd, dan zet het systeem zichzelf weer in elkaar en produceert weer stroom (Nature Chemistry, 5 september).

Volgens Michael Strano, hoogleraar Chemical Engineering aan MIT, imiteert zijn systeem een cruciale stap in het fotosyntheseproces van planten. “De moleculaire machinerie die planten gebruiken om zonlicht om te zetten in energie wordt elke 45 minuten vervangen”, aldus Strano. Iets dergelijks zou met de zelf reparerende MIT-zonnecel ook mogelijk zijn.

Rienk van Grondelle, hoogleraar biofysica aan de Vrije Universiteit in Amsterdam, is enthousiast: “Bijzonder dat het is gelukt om door zelfassemblage zo’n complex systeem in elkaar te zetten. Technologisch is dit een prachtig stukje werk.”

Strano claimt dat hij het proces probeert te imiteren dat zich afspeelt in de bladgroenkorrels van planten, maar Van Grondelle waarschuwt dat het zo ver nog lang niet is. Bij echte fotosynthese wordt water gesplitst in zuurstof, waterstof en elektronen met een hoge energie. Het lukt wetenschappers nog maar nauwelijks om watersplitsing na te bootsen. Een tweede kanttekening is dat Strano stroom produceert en geen brandstof (in de vorm van suikers), zoals planten dat doen.

Voor zijn zonnecellen gebruikt Strano moleculen met een kop en een staart die uit zichzelf schijfjes vormen. In een oplossing zonder zeepachtige moleculen hechten de schijfjes zich vanzelf aan nanobuisjes. Zo ontstaat een platform waaraan zich de eiwitten kunnen hechten die fotosynthetische bacteriën gebruiken voor de invang en omzetting van zonlicht (zie afbeelding). Door toevoeging van zeepachtige moleculen valt het systeem uit elkaar. Als de zeepachtige moleculen worden weggefilterd zet de zonnecel dus zichzelf weer in elkaar.

De fotosynthetische bacteriën die Strano toepast, Rhodobacter sphaeroides, gebruiken fotonen om een zogeheten ladingsscheiding teweeg te brengen over een celmembraan. Dit betekent dat er aan de ene kant van een membraan een positieve lading en aan de andere kant een negatieve lading wordt geproduceerd. Planten gebruiken twee van deze fotosystemen in serie om hoogenergetische elektronen en uiteindelijk suikers te produceren. In de zonnecel die Strano heeft gebouwd genereert de gescheiden lading een kleine stroom in het nanobuisje. De efficiëntie waarmee zijn systeem licht omzet in elektrische energie is minder dan 1 procent.

Michiel van Nieuwstadt