مبدأ تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء. تحويل الطاقة في البلاستيدات الخضراء كيف تتراكم جزيئات الكلوروفيل الطاقة الشمسية

يعود تاريخ دراسة التركيب الضوئي إلى أغسطس 1771 ، عندما اكتشف عالم اللاهوت والفيلسوف وعالم الطبيعة الهواة الإنجليزي جوزيف بريستلي (1733-1804) أن النباتات يمكنها "تصحيح" خصائص الهواء ، مما يغير تكوينه نتيجة الاحتراق أو حياة الحيوانات. أظهر بريستلي أنه في وجود النباتات ، يصبح الهواء "الفاسد" مناسبًا مرة أخرى للحرق ودعم حياة الحيوانات.

في سياق دراسات أخرى أجراها Ingenhaus و Senebier و Saussure و Bussengo وعلماء آخرون ، وجد أن النباتات ، عندما تضيء ، تطلق الأكسجين وتمتص ثاني أكسيد الكربون من الهواء. تقوم النباتات بتجميع المواد العضوية من ثاني أكسيد الكربون والماء. هذه العملية كانت تسمى التمثيل الضوئي.

اقترح روبرت ماير ، الذي اكتشف قانون الحفاظ على الطاقة ، في عام 1845 أن تقوم النباتات بتحويل طاقة ضوء الشمس إلى طاقة المركبات الكيميائية التي تشكلت أثناء عملية التمثيل الضوئي. ووفقا له ، فإن "أشعة الشمس التي تنتشر في الفضاء" يتم التقاطها "وتخزينها لاستخدامها مرة أخرى حسب الحاجة". في وقت لاحق ، العالم الروسي K.A. أثبت Timiryazev ذلك بشكل مقنع الدور الأساسيتلعب جزيئات الكلوروفيل الموجودة في الأوراق الخضراء دورًا في استخدام طاقة ضوء الشمس بواسطة النباتات.

تستخدم الكربوهيدرات (السكريات) المتكونة أثناء عملية التمثيل الضوئي كمصدر للطاقة و مواد البناءلتخليق المركبات العضوية المختلفة في النباتات والحيوانات. في النباتات العليا ، تحدث عمليات التمثيل الضوئي في البلاستيدات الخضراء - وهي عضيات متخصصة في تحويل الطاقة لخلية نباتية.

يظهر تمثيل تخطيطي للبلاستيدات الخضراء في الشكل. 1.

تحت القشرة المزدوجة للبلاستيدات الخضراء ، التي تتكون من الأغشية الخارجية والداخلية ، توجد هياكل غشائية ممتدة تشكل حويصلات مغلقة تسمى الثايلاكويدات. تتكون أغشية الثايلاكويد من طبقتين من جزيئات الدهون ، والتي تشمل مجمعات البروتين الضوئي الجزيئي. في البلاستيدات الخضراء للنباتات العليا ، يتم تجميع الثايلاكويدات في جرانا ، وهي عبارة عن أكوام من الثايلاكويدات على شكل قرص ، ومسطحة ومضغوطة بشكل وثيق مع بعضها البعض. الثايلاكويدات الحبيبية البارزة منها عبارة عن استمرارية للثايلاكويدات الفردية للجرانا. تسمى المسافة بين غشاء البلاستيدات الخضراء و thylakoids السدى. تحتوي السدى على الحمض النووي الريبي ، والحمض النووي ، وجزيئات البلاستيدات الخضراء ، والريبوزومات ، وحبوب النشا ، والعديد من الإنزيمات ، بما في ذلك تلك التي تضمن امتصاص النباتات لثاني أكسيد الكربون.

تم إنتاج المنشور بدعم من Sushi E'xpress. تقدم شركة Sushi E'xpress خدمات توصيل السوشي في نوفوسيبيرسك. من خلال طلب السوشي من Sushi E’xpress ، ستتلقى بسرعة طبقًا لذيذًا وصحيًا من إعداد طهاة محترفين باستخدام المنتجات الطازجة عالية الجودة. من خلال زيارة موقع Sushi E’xpress الإلكتروني ، يمكنك التعرف على الأسعار وتكوين القوائم المعروضة ، مما سيساعدك على اتخاذ قرار بشأن اختيار الطبق. لتقديم طلب لتوصيل السوشي ، اتصل بالرقم 239-55-87

المراحل المضيئة والمظلمة من عملية التمثيل الضوئي

وفقًا للمفاهيم الحديثة ، فإن التمثيل الضوئي عبارة عن سلسلة من العمليات الضوئية الفيزيائية والكيميائية الحيوية ، ونتيجة لذلك تقوم النباتات بتجميع الكربوهيدرات (السكريات) باستخدام طاقة ضوء الشمس. عادة ما يتم تقسيم مراحل عديدة من عملية التمثيل الضوئي إلى مجموعتين كبيرتين من العمليات - الأطوار الفاتحة والمظلمة.

من المعتاد أن نطلق على مراحل الضوء لعملية التمثيل الضوئي مجموعة من العمليات ، ونتيجة لذلك ، بسبب طاقة الضوء ، يتم تصنيع جزيئات الأدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP) وتقليل النيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد الفوسفات (NADPH) ، مركب بإمكانية اختزال عالية. تعمل جزيئات ATP كمصدر عالمي للطاقة في الخلية. من المعروف أن طاقة روابط الفوسفات عالية الطاقة (أي الغنية بالطاقة) لجزيء ATP تُستخدم في معظم العمليات الكيميائية الحيوية المستهلكة للطاقة.

تحدث العمليات الخفيفة لعملية التمثيل الضوئي في الثايلاكويدات ، التي تحتوي أغشيةها على المكونات الرئيسية لجهاز التمثيل الضوئي للنباتات - مجمعات البروتين الصبغي ونقل الإلكترون ، بالإضافة إلى مركب ATP-synthase ، الذي يحفز تكوين ATP من ثنائي فوسفات الأدينوزين (ADP) والفوسفات غير العضوي (F i) (ADP + F i → ATP + H 2 O). وهكذا ، نتيجة للمراحل الخفيفة لعملية التمثيل الضوئي ، يتم تخزين طاقة الضوء التي تمتصها النباتات في شكل روابط كيميائية كبيرة من جزيئات ATP وعامل الاختزال القوي NADP H ، والتي تستخدم لتخليق الكربوهيدرات في ما يسمى المراحل المظلمة من عملية التمثيل الضوئي.

يشار عادة إلى المراحل المظلمة من عملية التمثيل الضوئي على أنها مجموعة من التفاعلات الكيميائية الحيوية التي تؤدي إلى استيعاب النباتات لثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي (CO 2) وتكوين الكربوهيدرات. تسمى دورة التحولات البيوكيميائية المظلمة المؤدية إلى تخليق المركبات العضوية من ثاني أكسيد الكربون والماء دورة كالفين بنسون نسبة إلى المؤلفين الذين قدموا مساهمة حاسمة في دراسة هذه العمليات. على عكس نقل الإلكترون ومجمعات سينسيز ATP الموجودة في غشاء الثايلاكويد ، فإن الإنزيمات التي تحفز التفاعلات "المظلمة" لعملية التمثيل الضوئي يتم إذابتها في السدى. عندما يتم تدمير غشاء البلاستيدات الخضراء ، يتم غسل هذه الإنزيمات من السدى ، ونتيجة لذلك تفقد البلاستيدات الخضراء قدرتها على امتصاص ثاني أكسيد الكربون.

نتيجة لتحولات عدد من المركبات العضوية في دورة كالفين-بنسون ، يتكون جزيء جلسيرالديهيد -3 فوسفات من ثلاثة جزيئات ثاني أكسيد الكربون والماء في البلاستيدات الخضراء ، والتي لها الصيغة الكيميائية CHO – CHOH – CH 2 O- PO 3 2-. في الوقت نفسه ، يتم استهلاك ثلاثة جزيئات ATP وجزيئين NADP H لكل جزيء CO 2 واحد متضمن في glyceraldehyde-3-phosphate.

لتخليق المركبات العضوية في دورة كالفين بنسون ، يتم استخدام الطاقة المنبعثة أثناء التحلل المائي لروابط الفوسفات الكبيرة لجزيئات ATP (تفاعل ATP + H 2 O → ADP + F i) وإمكانية الاختزال القوية لجزيئات NADP H . يدخل الجزء الرئيسي من الجزيئات المتكونة في البلاستيدات الخضراء Glyceraldehyde-3-phosphate إلى العصارة الخلوية للخلية النباتية ، حيث يتم تحويلها إلى فركتوز-6-فوسفات وجلوكوز -6-فوسفات ، والتي في سياق المزيد من التحولات ، شكل فوسفات السكاروفوسفات ، سلائف السكروز. من جزيئات جلسيرالديهيد -3 فوسفات المتبقية في البلاستيدات الخضراء ، يتم تصنيع النشا.

تحويل الطاقة في مراكز التفاعل الضوئي

تمت دراسة مجمعات تحويل الطاقة الضوئية للنباتات والطحالب وبكتيريا التمثيل الضوئي جيدًا. المثبتة التركيب الكيميائيوالتركيب المكاني لمجمعات البروتين المحولة للطاقة ، تم توضيح تسلسل عمليات تحويل الطاقة. على الرغم من الاختلافات في التركيب والتركيب الجزيئي لجهاز التمثيل الضوئي ، إلا أن هناك أنماطًا شائعة في عمليات تحويل الطاقة في مراكز التفاعل الضوئي لجميع الكائنات الضوئية. في أنظمة التمثيل الضوئي ذات الأصل النباتي والبكتيري ، يكون الارتباط الهيكلي والوظيفي الوحيد لجهاز التمثيل الضوئي هو نظام ضوئي، والذي يتضمن هوائيًا لحصاد الضوء ومركز تفاعل كيميائي ضوئي والجزيئات المرتبطة به - ناقلات الإلكترون.

فكر أولاً المبادئ العامةتحويل طاقة ضوء الشمس ، وهي خاصية مميزة لجميع أنظمة التمثيل الضوئي ، وبعد ذلك سوف نتناول المزيد من التفاصيل حول مثال عمل مراكز التفاعل الضوئي وسلسلة نقل الإلكترون للبلاستيدات الخضراء في النباتات العليا.

هوائي حصاد الضوء (امتصاص الضوء ، هجرة الطاقة إلى مركز التفاعل)

أول عمل أولي لعملية التمثيل الضوئي هو امتصاص الضوء بواسطة جزيئات الكلوروفيل أو الأصباغ المساعدة التي تشكل جزءًا من مركب بروتيني صبغ خاص يسمى هوائي حصاد الضوء. هوائي حصاد الضوء عبارة عن مركب جزيئي ضخم مصمم لالتقاط الضوء بكفاءة. في البلاستيدات الخضراء ، يحتوي مجمع الهوائي على عدد كبير (يصل إلى عدة مئات) من جزيئات الكلوروفيل وكمية معينة من الأصباغ المساعدة (الكاروتينات) المرتبطة بشدة بالبروتين.

في ضوء الشمس الساطع ، يمتص جزيء كلوروفيل واحد الكميات الخفيفة بشكل نادر نسبيًا ، في المتوسط ​​لا يزيد عن 10 مرات في الثانية. ومع ذلك ، نظرًا لأن مركز رد فعل ضوئي واحد يمثل عدد كبير منجزيئات الكلوروفيل (200-400) ، ثم حتى عند شدة الضوء المنخفضة نسبيًا التي تسقط على ورقة في ظل ظروف تظليل النبات ، يحدث تنشيط متكرر إلى حد ما لمركز التفاعل. في الواقع ، تلعب مجموعة الأصباغ الماصة للضوء دور الهوائي ، الذي ، نظرًا لحجمه الكبير ، يلتقط ضوء الشمس بشكل فعال ويوجه طاقته إلى مركز التفاعل. عادة ما يكون للنباتات المحبة للظل حجم أكبرهوائي الحصاد الخفيف مقارنة بالنباتات التي تنمو في ظروف الإضاءة العالية.

جزيئات الكلوروفيل هي أصباغ حصاد الضوء الرئيسية في النباتات. أوالكلوروفيل بيمتص الضوء المرئي بطول موجي λ ≤ 700-730 نانومتر. تمتص جزيئات الكلوروفيل المعزولة الضوء فقط في نطاقين ضيقين نسبيًا من الطيف الشمسي: عند أطوال موجية من 660-680 نانومتر (ضوء أحمر) و 430-450 نانومتر (ضوء أزرق بنفسجي) ، مما يحد بالطبع من كفاءة استخدام طيف كامل من ضوء الشمس الساقط على ورقة خضراء.

ومع ذلك ، فإن التركيب الطيفي للضوء الذي يمتصه هوائي حصاد الضوء هو في الواقع أوسع بكثير. ويفسر ذلك حقيقة أن طيف الامتصاص للأشكال المجمعة من الكلوروفيل ، والتي هي جزء من هوائي حصاد الضوء ، يتحول نحو أطوال موجية أطول. إلى جانب الكلوروفيل ، يشتمل هوائي حصاد الضوء على أصباغ مساعدة تزيد من كفاءته بسبب حقيقة أنها تمتص الضوء في تلك المناطق الطيفية التي تمتص فيها جزيئات الكلوروفيل ، الصبغة الرئيسية لهوائي حصد الضوء ، الضوء بشكل ضعيف نسبيًا.

في النباتات ، الأصباغ المساعدة هي الكاروتينات التي تمتص الضوء في نطاق الطول الموجي λ ≈ 450-480 نانومتر ؛ في خلايا الطحالب الضوئية ، هذه أصباغ حمراء وزرقاء: phycoerythrins في الطحالب الحمراء (λ ≈ 495-565 نانومتر) و phycocyanins في الطحالب الخضراء المزرقة (λ ≈ 550-615 نانومتر).

يؤدي امتصاص كمية الضوء بواسطة جزيء الكلوروفيل (Chl) أو الصبغة المساعدة إلى إثارة (ينتقل الإلكترون إلى مستوى طاقة أعلى):

Chl + hν → Chl *.

يتم نقل طاقة جزيء الكلوروفيل المثير Chl * إلى جزيئات الأصباغ المجاورة ، والتي بدورها يمكنها نقلها إلى جزيئات أخرى في هوائي تجميع الضوء:

Chl * + Chl → Chl + Chl *.

وبالتالي يمكن أن تنتقل طاقة الإثارة عبر مصفوفة الصباغ حتى تصل الإثارة في النهاية إلى مركز التفاعل الضوئي P (يظهر تمثيل تخطيطي لهذه العملية في الشكل 2):

Chl * + P → Chl + P *.

لاحظ أن مدة وجود جزيئات الكلوروفيل والأصباغ الأخرى في حالة الإثارة قصيرة جدًا ، τ 10-10-10-9 ثوانٍ. لذلك ، هناك احتمال معين أنه في الطريق إلى مركز التفاعل P ، يمكن أن تُفقد طاقة مثل هذه الحالات المثارة قصيرة العمر للأصباغ بدون فائدة - تتبدد في حرارة أو تنطلق في شكل كمية ضوئية (ظاهرة الفلورة). ومع ذلك ، في الواقع ، فإن كفاءة هجرة الطاقة إلى مركز تفاعل التمثيل الضوئي عالية جدًا. في الحالة التي يكون فيها مركز التفاعل في الحالة النشطة ، فإن احتمال فقد الطاقة ، كقاعدة عامة ، لا يزيد عن 10-15٪. تعود هذه الكفاءة العالية في استخدام طاقة ضوء الشمس إلى حقيقة أن هوائي حصاد الضوء عبارة عن هيكل منظم للغاية يضمن تفاعلًا جيدًا للغاية بين الأصباغ مع بعضها البعض. نتيجة لذلك ، يتم تحقيق معدل مرتفع من نقل طاقة الإثارة من الجزيئات التي تمتص الضوء إلى مركز التفاعل الضوئي. متوسط ​​وقت "قفزة" طاقة الإثارة من صبغة إلى أخرى ، كقاعدة عامة ، هو τ 10-12-10-10-11 ثانية. لا يتجاوز إجمالي وقت انتقال الإثارة إلى مركز التفاعل عادةً 10-10-10-9 ثوانٍ.

مركز التفاعل الكيميائي الضوئي (نقل الإلكترون ، تثبيت الشحنات المنفصلة)

الأفكار الحديثة حول بنية مركز التفاعل وآليات المراحل الأولية لعملية التمثيل الضوئي سبقتها أعمال A.A. Krasnovsky ، الذي اكتشف أنه في وجود المتبرعين بالإلكترون وقابليهم ، يمكن تقليل جزيئات الكلوروفيل التي تثيرها الضوء بشكل عكسي (تقبل الإلكترون) وتتأكسد (التبرع بإلكترون). بعد ذلك ، اكتشف Cock و Witt و Duizens في النباتات والطحالب وبكتيريا التمثيل الضوئي أصباغ خاصة من طبيعة الكلوروفيل ، تسمى مراكز التفاعل ، والتي تتأكسد تحت تأثير الضوء وهي ، في الواقع ، المتبرعون الأساسيون بالإلكترون أثناء عملية التمثيل الضوئي.

مركز التفاعل الكيميائي الضوئي P هو زوج خاص (ديمر) من جزيئات الكلوروفيل التي تعمل كمصيدة لطاقة الإثارة التي تتجول عبر مصفوفة الصباغ لهوائي حصاد الضوء (الشكل 2). مثلما يتدفق السائل من جدران قمع عريض إلى عنقها الضيق ، فإن طاقة الضوء التي تمتصها جميع أصباغ هوائي حصاد الضوء تتجه نحو مركز التفاعل. يبدأ إثارة مركز التفاعل سلسلة من التحولات الإضافية للطاقة الضوئية أثناء عملية التمثيل الضوئي.

يتم عرض تسلسل العمليات التي تحدث بعد إثارة مركز التفاعل P ، والرسم التخطيطي للتغيرات المقابلة في طاقة النظام الضوئي بشكل تخطيطي في الشكل. 3.

جنبًا إلى جنب مع ثنائي كلوروفيل P ، يشتمل مجمع التمثيل الضوئي على جزيئات مستقبلات الإلكترون الأولية والثانوية ، والتي سنحددها تقليديًا باسم A و B ، بالإضافة إلى مانح الإلكترون الأساسي ، جزيء D. إلى متقبل الإلكترون الأساسي المجاور له:

د (ف * أ) ب → د (ف + أ -) ب.

وهكذا ، نتيجة لنقل الإلكترون سريعًا جدًا (t 10-12 s) من P * إلى A ، يتم تحقيق الخطوة الأساسية الثانية المهمة في تحويل الطاقة الشمسية أثناء عملية التمثيل الضوئي - فصل الشحنة في مركز التفاعل. في هذه الحالة ، يتم تكوين عامل اختزال قوي A - (متبرع للإلكترون) وعامل مؤكسد قوي P + (متقبل للإلكترون).

توجد الجزيئات P + و A - في الغشاء بشكل غير متماثل: في البلاستيدات الخضراء ، يكون مركز التفاعل P + أقرب إلى سطح الغشاء الذي يواجه داخل الثايلاكويد ، والمقبول A - يقع بالقرب من الخارج. لذلك ، نتيجة لفصل الشحنة الضوئية ، ينشأ اختلاف في الجهد الكهربائي على الغشاء. يشبه فصل الشحنات الناتج عن الضوء في مركز التفاعل توليد فرق الجهد الكهربائي في الخلية الكهروضوئية التقليدية. ومع ذلك ، يجب التأكيد على أنه ، على عكس جميع محولات الطاقة الضوئية المعروفة والمستخدمة على نطاق واسع في التكنولوجيا ، فإن كفاءة تشغيل مراكز تفاعل التمثيل الضوئي عالية جدًا. تتجاوز كفاءة فصل الشحنة في مراكز التفاعل الضوئي النشطة ، كقاعدة عامة ، 90-95٪ (لأفضل عينات الخلايا الضوئية ، لا تتجاوز الكفاءة 30٪).

ما هي الآليات التي تضمن مثل هذه الكفاءة العالية لتحويل الطاقة في مراكز التفاعل؟ لماذا لا ينتقل الإلكترون إلى المستقبل A ويعود إلى المركز المؤكسد موجب الشحنة P +؟ يتم توفير استقرار الشحنات المنفصلة بشكل أساسي بسبب العمليات الثانوية لنقل الإلكترون بعد نقل الإلكترون من P * إلى A. ) إلى متقبل الإلكترون الثانوي B:

د (ف + أ -) ب → د (ف + أ) ب -.

في هذه الحالة ، لا يحدث فقط إزالة الإلكترون من مركز التفاعل موجب الشحنة P + ، ولكن أيضًا تقل طاقة النظام بأكمله بشكل ملحوظ (الشكل 3). هذا يعني أنه من أجل نقل الإلكترون في الاتجاه المعاكس (الانتقال B - → A) ، سوف يحتاج إلى التغلب على حاجز طاقة مرتفع بما فيه الكفاية ΔE 0.3–0.4 eV ، حيث ΔE هو فرق مستوى الطاقة لحالتين من النظام الذي يكون فيه الإلكترون على الناقل A أو B على التوالي. لهذا السبب ، لكي يعود الإلكترون مرة أخرى ، من الجزيء المختزل B إلى الجزيء المؤكسد A ، سيستغرق الأمر وقتًا أطول بكثير من الانتقال المباشر A - → ب. بمعنى آخر ، في الاتجاه الأمامي ، يتم نقل الإلكترون بشكل أسرع بكثير من الاتجاه المعاكس. لذلك ، بعد نقل الإلكترون إلى المستقبِل الثانوي B ، تقل احتمالية رجوعه مرة أخرى وإعادة اتحاده مع "الفتحة" الموجبة الشحنة P + بشكل ملحوظ.

العامل الثاني الذي يساهم في استقرار الشحنات المنفصلة هو التحييد السريع لمركز التفاعل الضوئي المؤكسد P + بسبب وصول الإلكترون إلى P + من المتبرع بالإلكترون D:

D (P + A) B - → D + (PA) ب -.

بعد تلقي إلكترون من الجزيء D المانح وإعادته إلى حالته الأصلية المخفضة P ، لن يكون مركز التفاعل قادرًا على قبول إلكترون من المستقبلات المخفضة ، ولكنه الآن جاهز لإعادة التشغيل - تبرع بإلكترون إلى المستقبِل الأولي المؤكسد A الموجود بجانبه ، وهو تسلسل الأحداث التي تحدث في مراكز التفاعل الضوئي لجميع أنظمة التمثيل الضوئي.

سلسلة نقل الإلكترون Chloroplast

يوجد في البلاستيدات الخضراء في النباتات العليا نظامان ضوئيان: نظام ضوئي 1 (PS1) ونظام ضوئي 2 (PS2) ، ويختلفان في تكوين البروتينات والأصباغ والخصائص البصرية. يمتص هوائي PS1 لحصاد الضوء الضوء بطول موجي λ 700-730 نانومتر ، ويمتص PS2 الضوء بطول موجة λ ≤ 680-700 نانومتر. يترافق الأكسدة المستحثة بالضوء لمراكز تفاعل PS1 و PS2 مع تغير لونها ، والذي يتميز بالتغيرات في أطياف الامتصاص عند λ ≈ 700 و 680 نانومتر. وفقًا لخصائصها البصرية ، تم تسمية مركزي تفاعل PS1 و PS2 باسم P 700 و P 680.

يتم ربط نظامي الصور ببعضهما البعض عبر سلسلة من حاملات الإلكترون (الشكل 4). PS2 هو مصدر الإلكترونات لـ PS1. يضمن فصل الشحنة بالضوء في مراكز التفاعل الضوئي P 700 و P 680 نقل الإلكترون من الماء المتحلل في PS2 إلى مستقبل الإلكترون النهائي ، جزيء NADP +. تتضمن سلسلة نقل الإلكترون (ETC) التي تربط نظامين ضوئيين جزيئات plastoquinone ، ومركب بروتين منفصل لنقل الإلكترون (ما يسمى مجمع b / f) ، وبروتين plastocyanin القابل للذوبان في الماء (Pc) كناقل للإلكترون. رسم تخطيطي يوضح الترتيب المتبادل لمجمعات نقل الإلكترون في غشاء الثايلاكويد ومسار نقل الإلكترون من الماء إلى NADP + في الشكل. 4.

في PS2 ، يتم نقل الإلكترون من المركز المثير P * 680 أولاً إلى المستقبل الأساسي feofetin (Phe) ، ثم إلى جزيء البلاستوكينون Q A ، المرتبط بشدة بأحد بروتينات PS2 ،

Y (P * 680 Phe) Q A Q B → Y (P + 680 Phe -) Q A Q B → Y (P + 680 Phe) Q A - Q B.

ثم يتم نقل الإلكترون إلى جزيء البلاستوكينون الثاني Q B ، ويتلقى P 680 إلكترونًا من مانح الإلكترون الأساسي Y:

Y (P + 680 Phe) Q A - Q B → Y + (P 680 Phe) Q A Q B -.

جزيء البلاستوكينون ، الذي تظهر صيغته الكيميائية وموقعه في غشاء طبقة ثنائية الدهون في الشكل. 5 قادر على قبول إلكترونين. بعد تشغيل مركز تفاعل PS2 مرتين ، سيتلقى جزيء البلاستوكينون Q B إلكترونين:

Q B + 2E - → Q B 2–.

جزيء Q B 2 سالب الشحنة لديه تقارب كبير مع أيونات الهيدروجين ، التي يلتقطها من الفضاء اللحمي. بعد بروتونات البلاستوكينون المختزل Q B 2– (Q B 2– + 2H + → QH 2) ، يتم تكوين شكل محايد كهربائيًا من جزيء QH 2 ، والذي يسمى البلاستوكينول (الشكل 5). يعمل البلاستوكينول كحامل متحرك لإلكترونين وبروتونين: بعد مغادرة PS2 ، يمكن لجزيء QH2 التحرك بسهولة داخل غشاء الثايلاكويد ، مما يوفر ارتباط PS2 بمجمعات نقل الإلكترون الأخرى.

مركز التفاعل المؤكسد PS2 P 680 له ألفة إلكترون عالية بشكل استثنائي ؛ هو عامل مؤكسد قوي جدا. نتيجة لذلك ، يتحلل الماء ، وهو مركب مستقر كيميائيًا ، في PS2. يحتوي مجمع تقسيم الماء (WRC) المتضمن في PS2 في مركزه النشط على مجموعة من أيونات المنغنيز (Mn 2+) ، والتي تعمل كمانحين للإلكترون لـ P 680. بالتبرع بالإلكترونات إلى مركز التفاعل المؤكسد ، تصبح أيونات المنغنيز "مراكم" للشحنات الموجبة ، والتي تشارك بشكل مباشر في تفاعل أكسدة الماء. نتيجة للتفعيل المتتالي ذي الأربعة أضعاف لمركز التفاعل P 680 ، تتراكم أربعة مكافئات مؤكسدة قوية (أو أربعة "ثقوب") في المركز النشط المحتوي على المنغنيز في WRC على شكل أيونات منجنيز مؤكسدة (Mn 4+) ، التي تتفاعل مع جزيئين من الماء ، تحفز تفاعل تحلل الماء:

2Mn 4+ + 2H 2 O → 2Mn 2+ + 4H + + O 2.

وهكذا ، بعد النقل المتتالي لأربعة إلكترونات من WRC إلى P 680 ، يحدث تحلل متزامن لاثنين من جزيئات الماء في وقت واحد ، مصحوبًا بإطلاق جزيء أكسجين واحد وأربعة أيونات هيدروجين ، والتي تدخل حيز interathylakoid للبلاستيدات الخضراء.

ينتشر جزيء البلاستوكينول QH2 المتكون أثناء عمل PS2 في الطبقة الدهنية الثنائية لغشاء الثايلاكويد إلى مجمع b / f (الشكلان 4 و 5). عند الاصطدام بمركب b / f ، يرتبط جزيء QH 2 به ثم ينقل إلكترونين إليه. في هذه الحالة ، لكل جزيء بلاستوكينول مؤكسد بواسطة مركب b / f ، يتم إطلاق اثنين من أيونات الهيدروجين داخل الثايلاكويد. بدوره ، يعمل مجمع b / f كمتبرع للإلكترون لـ plastocyanin (Pc) ، وهو بروتين صغير قابل للذوبان في الماء يحتوي مركزه النشط على أيون النحاس (تصاحب تفاعلات الاختزال والأكسدة للبلاستوسيانين تغييرات في تكافؤ النحاس أيون Cu 2+ + e - Cu +). يعمل Plastocyanin كحلقة وصل بين مجمع b / f و PS1. يتحرك جزيء البلاستوسيانين بسرعة داخل الثايلاكويد ، مما يوفر نقل الإلكترون من مجمع b / f إلى PS1. من البلاستوسيانين المختزل ، ينتقل الإلكترون مباشرة إلى مراكز التفاعل المؤكسد PS1 - P 700 + (انظر الشكل 4). وبالتالي ، نتيجة للعمل المشترك لـ PS1 و PS2 ، يتم نقل إلكترونين من جزيء الماء المتحلل في PS2 في النهاية عبر سلسلة نقل الإلكترون إلى جزيء NADP + ، مما يوفر تكوين عامل اختزال قوي NADP H.

لماذا تحتاج البلاستيدات الخضراء إلى نظامين ضوئيين؟ من المعروف أن بكتيريا التمثيل الضوئي ، التي تستخدم العديد من المركبات العضوية وغير العضوية (على سبيل المثال ، H 2 S) كمانح للإلكترون لتقليل مراكز التفاعل المؤكسد ، تعمل بنجاح مع نظام ضوئي واحد. يرجع ظهور نظامين ضوئيين على الأرجح إلى حقيقة أن طاقة كم واحد من الضوء المرئي لا تكفي لضمان تحلل الماء والمرور الفعال للإلكترون على طول سلسلة الجزيئات الحاملة من الماء إلى NADP +. منذ حوالي 3 مليارات سنة ، ظهرت الطحالب الخضراء المزرقة أو البكتيريا الزرقاء على الأرض ، والتي اكتسبت القدرة على استخدام الماء كمصدر للإلكترونات لتقليل ثاني أكسيد الكربون. يُعتقد الآن أن PS1 مشتق من البكتيريا الخضراء و PS2 من البكتيريا الأرجواني. بعد "تضمين" PS2 في سلسلة نقل إلكترون واحدة جنبًا إلى جنب مع PS1 أثناء العملية التطورية ، أصبح من الممكن حل مشكلة الطاقة - للتغلب على اختلاف كبير إلى حد ما في إمكانات الأكسدة والاختزال للأكسجين / الماء وأزواج NADP + / NADP H أصبح ظهور كائنات التمثيل الضوئي ، القادرة على أكسدة الماء ، واحدة من معالمتنمية الحياة البرية على الأرض. أولاً ، الطحالب والنباتات الخضراء ، بعد أن "تعلمت" أكسدة الماء ، أتقنت مصدرًا لا ينضب للإلكترونات لتقليل NADP +. ثانيًا ، عن طريق تحلل المياه ، ملأت الغلاف الجوي للأرض بالأكسجين الجزيئي ، وبالتالي خلق ظروف للتطور التطوري السريع للكائنات التي ترتبط طاقتها بالتنفس الهوائي.

اقتران عمليات نقل الإلكترون بنقل البروتون وتخليق ATP في البلاستيدات الخضراء

عادة ما يكون نقل الإلكترون على طول CET مصحوبًا بانخفاض في الطاقة. يمكن تشبيه هذه العملية بالحركة التلقائية للجسم على طول مستوى مائل. لا يعني الانخفاض في مستوى طاقة الإلكترون أثناء حركته على طول CET على الإطلاق أن نقل الإلكترون دائمًا عملية عديمة الجدوى. في ظل الظروف العادية لعمل البلاستيدات الخضراء ، فإن معظم الطاقة المنبعثة أثناء نقل الإلكترون لا تذهب سدى ، ولكنها تستخدم لتشغيل مجمع خاص لتحويل الطاقة يسمى سينثيز ATP. يحفز هذا المركب العملية غير المواتية بقوة لتكوين ATP من ADP والفوسفات غير العضوي F i (تفاعل ADP + F i → ATP + H 2 O). في هذا الصدد ، من المعتاد أن نقول إن عمليات التبرع بالطاقة لنقل الإلكترون مرتبطة بعمليات قبول الطاقة لتخليق ATP.

الدور الأكثر أهمية في ضمان اقتران الطاقة في أغشية الثايلاكويد ، وكذلك في جميع العضيات الأخرى المحولة للطاقة (الميتوكوندريا ، كروماتوفورز لبكتيريا التمثيل الضوئي) ، يتم لعبها عن طريق عمليات نقل البروتون. يرتبط تخليق ATP ارتباطًا وثيقًا بنقل ثلاثة بروتونات من خلال سينسيز ATP من الثايلاكويدات (3H in +) إلى السدى (3H out +):

ADP + F i + 3H in + → ATP + H 2 O + 3H out +.

تصبح هذه العملية ممكنة لأنه ، بسبب الترتيب غير المتماثل للحوامل في الغشاء ، يؤدي عمل البلاستيدات الخضراء ETC إلى تراكم كمية زائدة من البروتونات داخل الثايلاكويد: يتم امتصاص أيونات الهيدروجين من الخارج في مراحل NADP + التخفيض و plastoquinol ويتم إطلاقها داخل thylakoids في مراحل تحلل الماء وأكسدة البلاستوكينول (الشكل 4). تؤدي إضاءة البلاستيدات الخضراء إلى زيادة ملحوظة (100-1000 مرة) في تركيز أيونات الهيدروجين داخل الثايلاكويدات.

لذلك ، فقد درسنا سلسلة من الأحداث التي يتم خلالها تخزين طاقة ضوء الشمس في شكل طاقة من المركبات الكيميائية عالية الطاقة - ATP و NADP H. تُستخدم هذه المنتجات من المرحلة الضوئية من التمثيل الضوئي في المراحل المظلمة لتشكيل المركبات العضوية (الكربوهيدرات) من ثاني أكسيد الكربون والماء. تشمل الخطوات الرئيسية لتحويل الطاقة ، التي تؤدي إلى تكوين ATP و NADP H ، العمليات التالية: 1) امتصاص الطاقة الضوئية بواسطة أصباغ هوائي حصاد الضوء ؛ 2) نقل طاقة الإثارة إلى مركز التفاعل الضوئي ؛ 3) أكسدة مركز التفاعل الضوئي وتثبيت الشحنات المنفصلة ؛ 4) نقل الإلكترون على طول سلسلة نقل الإلكترون ، وتشكيل NADP H ؛ 5) نقل أيونات الهيدروجين عبر الغشاء ؛ 6) توليف ATP.

1. ألبرتس ب ، براي د ، لويس ج ، روبرتس ك ، واتسون ج.البيولوجيا الجزيئية للخلية. T. 1. - م: مير ، 1994. الطبعة الثانية.
2. Kukushkin A.K. ، Tikhonov A.N.محاضرات في الفيزياء الحيوية لعملية التمثيل الضوئي للنبات. - م: دار النشر بجامعة موسكو الحكومية ، 1988.
3. نيكولز د.الطاقة الحيوية. مقدمة في نظرية التناضح الكيميائي. - م: مير ، 1985.
4. Skulachev V.P.طاقة الأغشية البيولوجية. - م: نوكا ، 1989.

كيف يتم تحويل طاقة ضوء الشمس في مراحل الضوء والظلام من عملية التمثيل الضوئي إلى طاقة الروابط الكيميائية للجلوكوز؟ اشرح الجواب.

إجابة

في مرحلة الضوء من عملية التمثيل الضوئي ، يتم تحويل طاقة ضوء الشمس إلى طاقة الإلكترونات المثارة ، ثم يتم تحويل طاقة الإلكترونات المثارة إلى طاقة ATP و NADP-H2. في المرحلة المظلمة من عملية التمثيل الضوئي ، يتم تحويل طاقة ATP و NADP-H2 إلى طاقة روابط الجلوكوز الكيميائية.

ماذا يحدث خلال مرحلة الضوء من عملية التمثيل الضوئي؟

إجابة

تسير إلكترونات الكلوروفيل ، المتحمسة بواسطة طاقة الضوء ، على طول سلاسل نقل الإلكترون ، ويتم تخزين طاقتها في ATP و NADP-H2. يحدث التحلل الضوئي للماء ، ويتم إطلاق الأكسجين.

ما هي العمليات الرئيسية التي تحدث خلال المرحلة المظلمة من عملية التمثيل الضوئي؟

إجابة

من ثاني أكسيد الكربون الذي تم الحصول عليه من الغلاف الجوي والهيدروجين المتحصل عليه في طور الضوء ، بسبب طاقة ATPيتم الحصول عليها في مرحلة الضوء ، يتم تشكيل الجلوكوز.

ما هي وظيفة الكلوروفيل في الخلية النباتية؟

إجابة

يشارك الكلوروفيل في عملية التمثيل الضوئي: في المرحلة الضوئية ، يمتص الكلوروفيل الضوء ، ويتلقى إلكترون الكلوروفيل طاقة ضوئية ، وينقطع ويمر على طول سلسلة نقل الإلكترون.

ما الدور الذي تلعبه إلكترونات الكلوروفيل في عملية التمثيل الضوئي؟

إجابة

تمر إلكترونات الكلوروفيل ، التي تثيرها أشعة الشمس ، عبر سلاسل نقل الإلكترون وتتخلى عن طاقتها لتكوين ATP و NADP-H2.

في أي مرحلة من مراحل البناء الضوئي يتم إنتاج الأكسجين الحر؟

إجابة

في مرحلة الضوء ، أثناء التحلل الضوئي للماء.

خلال أي مرحلة من مراحل البناء الضوئي يحدث تخليق ATP؟

إجابة

مرحلة الضوء.

ما هو مصدر الأكسجين أثناء عملية التمثيل الضوئي؟

إجابة

الماء (يتم إطلاق الأكسجين أثناء التحلل الضوئي للماء).

يعتمد معدل التمثيل الضوئي على عوامل محددة (مقيدة) ، من بينها الضوء ، وتركيز ثاني أكسيد الكربون ، ودرجة الحرارة. لماذا هذه العوامل تحد من تفاعلات التمثيل الضوئي؟

إجابة

الضوء ضروري لإثارة الكلوروفيل ، فهو يوفر الطاقة لعملية التمثيل الضوئي. هناك حاجة لثاني أكسيد الكربون في المرحلة المظلمة من عملية التمثيل الضوئي ؛ حيث يتم تصنيع الجلوكوز منه. يؤدي التغيير في درجة الحرارة إلى تمسخ الأنزيمات ، وتتباطأ تفاعلات التمثيل الضوئي.

في أي تفاعلات التمثيل الغذائي في النباتات يعتبر ثاني أكسيد الكربون المادة الأولية لتخليق الكربوهيدرات؟

إجابة

في تفاعلات التمثيل الضوئي.

في أوراق النباتات ، تستمر عملية التمثيل الضوئي بشكل مكثف. هل يحدث في الثمار الناضجة وغير الناضجة؟ اشرح الجواب.

إجابة

يحدث التمثيل الضوئي في الأجزاء الخضراء من النباتات المعرضة للضوء. وهكذا ، يحدث التمثيل الضوئي في قشرة الثمار الخضراء. لا يحدث التمثيل الضوئي داخل الثمرة وداخل جلد الثمار الناضجة (وليس الخضراء).

لقد صادف الكثير منا خلايا شمسية بطريقة أو بأخرى. استخدم شخص ما أو استخدم الألواح الشمسية لتوليد الكهرباء للأغراض المنزلية ، ويستخدم شخص ما لوحًا شمسيًا صغيرًا لشحن أداته المفضلة في هذا المجال ، وشاهد شخص ما بالتأكيد خلية شمسية صغيرة على آلة حاسبة صغيرة. كان البعض محظوظًا بما يكفي لزيارتهم.

لكن هل فكرت يومًا في كيفية حدوث عملية تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية؟ ما هي الظاهرة الفيزيائية التي يقوم عليها عمل كل هذه الخلايا الشمسية؟ دعنا ننتقل إلى الفيزياء ونفهم عملية التوليد بالتفصيل.

منذ البداية ، من الواضح أن مصدر الطاقة هنا هو ضوء الشمس ، أو من الناحية العلمية ، يتم الحصول عليها من فوتونات الإشعاع الشمسي. يمكن تخيل هذه الفوتونات على أنها تيار من الجسيمات الأولية تتحرك باستمرار من الشمس ، ولكل منها طاقة ، وبالتالي فإن تدفق الضوء بأكمله يحمل نوعًا من الطاقة.

من كل متر مربع من سطح الشمس ، 63 ميغاواط من الطاقة تنبعث بشكل مستمر على شكل إشعاع! تقع أقصى شدة لهذا الإشعاع على نطاق الطيف المرئي -.

لذلك ، قرر العلماء أن كثافة الطاقة لتدفق ضوء الشمس على مسافة من الشمس إلى الأرض تبلغ 149600000 كيلومتر ، بعد المرور عبر الغلاف الجوي ، وعند الوصول إلى سطح كوكبنا ، يبلغ متوسطها حوالي 900 واط لكل متر مربع.

هنا يمكنك أخذ هذه الطاقة ومحاولة الحصول على الكهرباء منها ، أي تحويل طاقة تدفق الضوء الشمسي إلى طاقة تتحرك الجسيمات المشحونة ، بمعنى آخر ، إلى.

لتحويل الضوء إلى كهرباء نحتاج محول ضوئي. هذه المحولات شائعة جدًا ، وهي متوفرة للبيع مجانًا ، وهذه هي ما يسمى بالخلايا الشمسية - المحولات الكهروضوئية على شكل رقائق مقطوعة من السيليكون.

أفضلها أحادي البلورية ، ولها كفاءة تبلغ حوالي 18٪ ، أي إذا كان تدفق الفوتون من الشمس له كثافة طاقة تبلغ 900 وات / متر مربع ، فيمكنك الاعتماد على الحصول على 160 واط من الكهرباء لكل متر مربع. بطارية مجمعة من هذه الخلايا.

هناك ظاهرة تسمى "التأثير الكهروضوئي" في العمل هنا. التأثير الكهروضوئي أو التأثير الكهروضوئي- هذه هي ظاهرة انبعاث الإلكترونات من مادة (ظاهرة سحب الإلكترونات من ذرات المادة) تحت تأثير الضوء أو أي إشعاع كهرومغناطيسي آخر.

في عام 1900 ، اقترح ماكس بلانك ، والد فيزياء الكم ، أن الضوء ينبعث ويمتص في أجزاء منفصلة أو كوانتا ، والتي لاحقًا ، في عام 1926 ، أطلق عليها الكيميائي جيلبرت لويس "الفوتونات".

كل فوتون له طاقة يمكن تحديدها بواسطة الصيغة E = hv - ثابت بلانك مضروباً في تردد الإشعاع.

وفقًا لفكرة ماكس بلانك ، فإن الظاهرة التي اكتشفها هيرتز في عام 1887 ، ثم بحثها ستوليتوف بدقة من عام 1888 إلى عام 1890 ، أصبحت قابلة للتفسير. درس ألكسندر ستوليتوف بشكل تجريبي التأثير الكهروضوئي ووضع ثلاثة قوانين للتأثير الكهروضوئي (قوانين ستوليتوف):

مع التركيب الطيفي الثابت لحادث الإشعاع الكهرومغناطيسي على الكاثود الضوئي ، يتناسب التيار الضوئي التشبع مع إضاءة الطاقة للكاثود (وإلا: عدد الإلكترونات الضوئية التي خرجت من الكاثود في ثانية واحدة يتناسب طرديًا مع كثافة الإشعاع).

لا تعتمد السرعة الأولية القصوى للإلكترونات الضوئية على شدة الضوء الساقط ، ولكن يتم تحديدها فقط من خلال ترددها.

لكل مادة حد أحمر للتأثير الكهروضوئي ، أي الحد الأدنى لتكرار الضوء (اعتمادًا على الطبيعة الكيميائية للمادة وحالة السطح) ، والذي تحته يكون التأثير الكهروضوئي مستحيلًا.

لاحقًا ، في عام 1905 ، أوضح أينشتاين نظرية التأثير الكهروضوئي. سيوضح كيف تشرح نظرية الكم للضوء وقانون الحفظ وتحويل الطاقة تمامًا ما يحدث وما يتم ملاحظته. كتب أينشتاين معادلة التأثير الكهروضوئي ، والتي نال عنها جائزة نوبل في عام 1921:

دالة الشغل وهنا الحد الأدنى من الشغل الذي يحتاجه الإلكترون لترك ذرة من مادة. المصطلح الثاني هو الطاقة الحركية للإلكترون بعد الخروج.

أي أن إلكترون الذرة يمتص الفوتون ، مما يؤدي إلى زيادة الطاقة الحركية للإلكترون في الذرة بمقدار طاقة الفوتون الممتص.

يتم إنفاق جزء من هذه الطاقة على خروج الإلكترون من الذرة ، ويغادر الإلكترون الذرة ويحصل على فرصة للتحرك بحرية. والإلكترونات المتحركة اتجاهيًا ليست سوى تيار كهربائي أو تيار ضوئي. نتيجة لذلك ، يمكننا التحدث عن حدوث EMF في مادة ما نتيجة للتأثير الكهروضوئي.

إنه، تعمل البطارية الشمسية بفضل التأثير الكهروضوئي الذي يعمل فيها.ولكن أين تذهب الإلكترونات "المنهوبة" في المحول الكهروضوئي؟ المحول الكهروضوئي أو الخلية الشمسية أو الخلية الكهروضوئية ، بالتالي ، يحدث التأثير الكهروضوئي فيها بشكل غير عادي ، وهذا تأثير كهروضوئي داخلي ، وله حتى اسم خاص "التأثير الكهروضوئي للصمام".

تحت تأثير ضوء الشمس في تقاطع p-n لأشباه الموصلات ، يحدث تأثير كهروضوئي ويظهر EMF ، لكن الإلكترونات لا تترك الخلية الكهروضوئية ، كل شيء يحدث في طبقة الحجب ، عندما تترك الإلكترونات جزءًا من الجسم ، تنتقل إلى جزء آخر منه.

يشكل السيليكون الموجود في القشرة الأرضية 30٪ من كتلته ، لذا فهو مستخدم في كل مكان. تكمن إحدى سمات أشباه الموصلات بشكل عام في حقيقة أنها ليست موصلة ولا عوازل كهربائية ، وتعتمد موصليةها على تركيز الشوائب ودرجة الحرارة والتعرض للإشعاع.

فجوة النطاق في أشباه الموصلات هي عدة إلكترون فولت ، وهذا هو فرق الطاقة فقط بين المستوى العلوي لنطاق التكافؤ للذرات ، الذي تهرب منه الإلكترونات ، والمستوى السفلي لفرقة التوصيل. يحتوي السيليكون على فجوة نطاق تبلغ 1.12 فولت - فقط ما هو مطلوب لامتصاص الإشعاع الشمسي.

لذلك ، الانتقال p-n. تشكل طبقات السيليكون المخدرة في الخلية الكهروضوئية تقاطع p-n. هنا ، يتم الحصول على حاجز طاقة للإلكترونات ، فهي تترك نطاق التكافؤ وتتحرك في اتجاه واحد فقط ، وتتحرك الثقوب في الاتجاه المعاكس. هذه هي الطريقة التي يتم بها الحصول على التيار في الخلية الشمسية ، أي يتم توليد الكهرباء من ضوء الشمس.

لا يسمح تقاطع P-n ، المعرض للفوتونات ، بحاملات الشحنة - الإلكترونات والثقوب - بالتحرك في أي اتجاه آخر غير اتجاه واحد فقط ، فهي تنفصل وتنتهي على جوانب متقابلة من الحاجز. وكونه متصلاً بدائرة الحمل من خلال الأقطاب الكهربائية العلوية والسفلية ، فإن المحول الكهروضوئي المعرض لأشعة الشمس سينشأ في الدائرة الخارجية.

من المعروف على نطاق واسع أن الشمس جرم سماوي (نجم) ، وأن الطاقة الشمسية في الحقيقة هي نتيجة نشاطها الحيوي. تطلق العمليات التي تجري عليها كمية هائلة من الطاقة ، وتطلقها بسرعة لا تصدق نحو كوكبنا. استخدام طاقة ضوء الشمسيفعل الناس بوعي وبلا وعي. نستحم في أشعة الشمس ، لا نفكر في حقيقة أن طاقة هذا النجم تطلق سلسلة من عمليات مهمةفي أجسامنا (على سبيل المثال ، يتم إنتاج فيتامين د في بشرتنا) ؛ بفضل ذلك ، يحدث التمثيل الضوئي في النباتات ؛ إن دورة المياه في الطبيعة هي أيضًا "عمل يدها". نحن نأخذ أمرا مفروغا منه. لكن هذا ليس سوى جزء من دور الطاقة الشمسية في حياتنا.

الاستخدام العملي للطاقة الشمسية

الأبسط والأكثر دراية للجميع استخدامات الطاقة الشمسية- استخدامه في الآلات الحاسبة الحديثة (على البطاريات الشمسية المدمجة للغاية) وللاحتياجات المنزلية (الفواكه الجافة ، تسخين المياه في خزان الاستحمام الخارجي في البلد). تضمن حركة الهواء المسخن بدفء الشمس تشغيل نظام التهوية والمداخن. تستخدم أشعة الشمس كمبخر لتحلية مياه البحر. تعد الشمس أحد المصادر الرئيسية للطاقة لتشغيل الأقمار الصناعية على المدى الطويل ، فضلاً عن الأجهزة المستخدمة في دراسة الفضاء الخارجي. يتم إدخال السيارات التي تعمل بالطاقة الكهربائية بشكل متزايد في حياتنا.

الحصول على الطاقة الشمسية وتحويلها

تدخل الطاقة الشمسية إلى كوكبنا على شكل ثلاثة أنواع من موجات الإشعاع: الأشعة فوق البنفسجية والضوء والأشعة تحت الحمراء.

استخدام الطاقة الشمسيةتستخدم في المقام الأول لتوليد الحرارة أو الكهرباء. إنها موجات الأشعة تحت الحمراء ، التي تسقط على سطح خاص طوره العلماء ، والتي تتحول إلى ما نحتاجه.

لذلك ، لاستخراج الحرارة ، يتم استخدام مجمّع يمتص موجات الأشعة تحت الحمراء ، وجهاز تخزين يقوم بتجميعها ، ومبادل حراري يتم فيه التسخين.

عند توليد الطاقة الكهربائية ، يتم استخدام الخلايا الضوئية الخاصة. تمتص أشعة الضوء ، وتقوم التركيبات المقابلة بمعالجة هذه الأشعة إلى كهرباء.

طرق استخدام الطاقة الشمسيةيمكن تقسيمها حسب نوع محطة الطاقة المستخدمة في معالجتها. هناك ستة في المجموع.

اول ثلاثة:برج (تصميم على شكل برج أسود بداخله ماء ومرايا حوله) ، مكافئ (يذكرنا بأطباق الأقمار الصناعية مع مرايا بداخلها) ، على شكل طبق (يشبه شجرة مصنوعة من المعدن بأوراق من المرايا). يمكن دمجها ، نظرًا لأن لها نفس مبدأ التشغيل: فهي تلتقط قدرًا معينًا من الضوء ، وتوجهه إلى خزان من السائل ، والذي يسخن ويطلق البخار ، والذي بدوره يستخدم لتوليد الكهرباء.

الرابعة- المعدات مع الخلايا الكهروضوئية. النوع الأكثر شهرة ، حيث يمكن أن تختلف أبعاده حسب الحاجة. تستخدم الألواح الشمسية الصغيرة لتلبية احتياجات المنازل الخاصة ، والألواح الأكبر حجماً للاحتياجات الصناعية. مبدأ العملية هو توليد الكهرباء من أشعة الشمس التي تمتصها الخلية الكهروضوئية بسبب فرق الجهد داخلها.

الخامس- مكنسة. من الناحية الهيكلية ، هي قطعة أرض مغطاة بسقف زجاجي دائري ، يوجد بداخله برج به توربينات في القاعدة. مبدأ التشغيل هو تسخين الأرض تحت هذا السقف وظهور تيار الهواء بسبب اختلاف درجات الحرارة. تدور شفرات التوربينات وتولد الطاقة.

تعتمد طريقة إنتاج الكهرباء هذه على ضوء الشمس، المسمى في الكتب المدرسية باسم - الفوتونات. بالنسبة لنا ، هذا مثير للاهتمام لأنه ، تمامًا مثل تيار الهواء المتحرك ، يحتوي تيار الضوء على طاقة! على مسافة وحدة فلكية واحدة (149.597.870.66 كم) من الشمس ، حيث تقع أرضنا ، تبلغ كثافة تدفق الإشعاع الشمسي 1360 واط / م 2. وبعد مروره عبر الغلاف الجوي للأرض ، يفقد التدفق شدته بسبب الانعكاس والامتصاص ، ويساوي بالفعل على سطح الأرض حوالي 1000 واط / م 2. هذا هو المكان الذي يبدأ فيه عملنا: استخدام طاقة تدفق الضوء وتحويله إلى الطاقة التي نحتاجها في الحياة اليومية - الطاقة الكهربائية.

يكمن سر هذا التحول في مربع زائف صغير بزوايا مشطوفة ، مقطوعة من أسطوانة سيليكون (الشكل 2) ، قطرها 125 مم ، واسمها هو. في أي طريق؟

تم تلقي إجابة هذا السؤال من قبل علماء الفيزياء الذين اكتشفوا ظاهرة مثل التأثير الكهروضوئي. التأثير الكهروضوئي هو ظاهرة سحب الإلكترونات من ذرات المادة تحت تأثير الضوء.

في عام 1900 افترض الفيزيائي الألماني ماكس بلانك أن الضوء ينبعث ويمتص في أجزاء منفصلة - كوانتا(أو الفوتونات). يتم تحديد طاقة كل فوتون من خلال الصيغة: ه =ح∙ ν (عارية الرماد) حيث ح- ثابت بلانك ، يساوي 6.626 × 10 -34 J ∙ s ، ν - تردد الفوتون. أوضحت فرضية بلانك ظاهرة التأثير الكهروضوئي ، التي اكتشفها عام 1887 العالم الألماني هاينريش هيرتز ودرسها تجريبياً العالم الروسي ألكسندر جريجوريفيتش ستوليتوف ، الذي قام ، من خلال تلخيص النتائج التي تم الحصول عليها ، بتأسيس ما يلي ثلاثة قوانين للتأثير الكهروضوئي:

1. مع التركيب الطيفي الثابت للضوء ، تتناسب قوة تيار التشبع طرديًا مع حادث تدفق الضوء على الكاثود.
2. تزداد الطاقة الحركية الأولية للإلكترونات المنبعثة من الضوء خطيًا مع تواتر الضوء ولا تعتمد على شدتها.
3. لا يحدث التأثير الكهروضوئي إذا كان تواتر الضوء أقل من خاصية قيمة معينة لكل مادة تسمى الحدود الحمراء.

تم تطوير نظرية التأثير الكهروضوئي ، التي توضح اللغز الذي يسود في FEP ، من قبل العالم الألماني ألبرت أينشتاين في عام 1905 ، موضحًا القوانين التأثير الكهروضوئي باستخدام نظرية الكم للضوء. استنادًا إلى قانون حفظ الطاقة وتحويلها ، كتب أينشتاين معادلة لتوازن الطاقة في التأثير الكهروضوئي:

أين: ح∙ ν هي طاقة الفوتون ، أ- وظيفة العمل - الحد الأدنى من العمل الذي يجب القيام به لتحرير إلكترون من ذرة مادة. وهكذا ، اتضح أن جسيم الضوء - الفوتون - يمتص بواسطة إلكترون ، والذي يكتسب عنصرًا إضافيًا الطاقة الحركية ½ م ∙الخامس 2 ويؤدي عمل الخروج من الذرة مما يعطيها الفرصة للتحرك بحرية. والحركة الموجهة للشحنات الكهربائية هي تيار كهربائي ، أو بشكل صحيح ، تنشأ قوة دفع كهربائية في مادة - E.D.S.

حصل أينشتاين على جائزة نوبل عام 1921 لمعادلة التأثير الكهروضوئي.

بالعودة من الماضي إلى أيامنا هذه ، نرى أن "قلب" البطارية الشمسية هو خلية شمسية (خلية ضوئية شبه موصلة) ، حيث تتحقق معجزة الطبيعة المذهلة - التأثير الكهروضوئي للصمام (VFE). يتكون من حدوث قوة دافعة كهربائية في تقاطع pn تحت تأثير الضوء. VFE أو التأثير الكهروضوئي في طبقة الحاجز، - ظاهرة تخرج فيها الإلكترونات من الجسم ، مروراً بالواجهة إلى جسم صلب آخر (أشباه الموصلات).

أشباه الموصلات- هذه هي المواد التي ، في موصليةها النوعية ، تحتل مكانًا وسيطًا بين الموصلات والعوازل الكهربائية وتختلف عن الموصلات في اعتماد قوي على الموصلية النوعية على تركيز الشوائب ودرجة الحرارة و أنواع مختلفةإشعاع. أشباه الموصلات عبارة عن مواد ذات فجوة في النطاق تصل إلى بضعة إلكترونات فولت [eV]. فجوة النطاق هي الفرق في طاقات الإلكترونات في بلورة أشباه الموصلات بين المستوى السفلي لفرقة التوصيل والمستوى العلوي لفرقة التكافؤ لأشباه الموصلات.

العديد من أشباه الموصلات العناصر الكيميائية: الجرمانيوم والسيليكون والسيلينيوم والتيلوريوم والزرنيخ وغيرها ، كمية كبيرةالسبائك والمركبات الكيميائية (زرنيخيد الغاليوم ، إلخ.) أشباه الموصلات الأكثر شيوعًا في الطبيعة هي السيليكون, تشكل حوالي 30٪ من قشرة الأرض.

تم تصميم السيليكون ليكون مادة للاستخدام نظرًا لتوزيعه الواسع في الطبيعة ، وخفة الوزن ، وفجوة نطاق مناسبة تبلغ 1.12 فولتًا لامتصاص طاقة ضوء الشمس. اليوم ، السيليكون البلوري (حوالي 90 ٪ من السوق العالمية) والخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة (حوالي 10 ٪ من السوق) هي الأكثر وضوحًا في السوق للأنظمة التجارية للتطبيقات الأرضية.

يعتبر الوصل p-n عنصرًا أساسيًا في تصميم المحولات الكهروضوئية للسيليكون البلورية (PVCs). في شكل مبسط ، يمكن تمثيل الخلية الشمسية على أنها "شطيرة": تتكون من طبقات من السيليكون مخدر من أجل الحصول على p-nانتقال.

تتمثل إحدى الخصائص الرئيسية للوصلة pn في قدرتها على أن تكون حاجزًا للطاقة للحوامل الحالية ، أي لتمريرها في اتجاه واحد فقط. بناءً على هذا التأثير ، يعتمد توليد التيار الكهربائي في الخلايا الشمسية. يولد الإشعاع الساقط على سطح العنصر حاملات شحنة بعلامات مختلفة في الجزء الأكبر من أشباه الموصلات - الإلكترونات (ن) والثقوب (ع). شكرا لهم خصائص ص نالانتقال "يفصل" بينهم ، ويمرر كل نوع إلى النصف "الخاص به" فقط ، وتتحرك حاملات الشحن بشكل عشوائي في حجم العنصر تجد نفسها على جوانب متقابلة من الحاجز ، وبعد ذلك يمكن نقلها إلى دائرة خارجية لإنشاء الجهد على الحمل والتيار الكهربائي في دائرة مغلقة ، متصلة بخلية شمسية.