القشور المعدنية تولد الكهرباء من الضوء

تثبت قشرة ورنيش الصحراء والقشرة الكهربية أنها نشطة كهروضوئية

يحول الطلاء الصحراوي والقشور المعدنية الأخرى الغنية بالمعادن الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية - وبالتالي يمكن أن تدفع التفاعلات الجيوكيميائية. © انهوي لو ويان لي
قراءة بصوت عال

اكتشاف مفاجئ: إن القشور المظلمة لطلاء الصحراء والأسطح الكارستية تنتج الكهرباء من أشعة الشمس - وبالتالي فهي مولدات كهروضوئية. وجد الباحثون أنه عند الإشعاع ، تحول هذه القشور المعدنية الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية. على الرغم من أن كمية الإلكترونات ليست كافية للحصول على صدمة كهربائية ، إلا أنها يمكن أن تلعب دورًا مهمًا في التفاعلات الجيوكيميائية الحيوية لكوكبنا ، حسبما ذكر العلماء.

الشمس هي أهم مصدر للطاقة على كوكبنا. يحفز ضوءها الذرات وينطلق التفاعلات الكيميائية ، لكنه قبل كل شيء يوفر الوقود لعملية التمثيل الضوئي. هذا النظام البيولوجي هو الذي يمكّن الكائنات الحية الدقيقة والنباتات من استخراج الطاقة من أشعة الشمس وبالتالي تكوين الكتلة الحيوية العضوية. هذا التحول من الطاقة الشمسية إلى الطاقة الكيميائية يشكل أساس سلاسل الغذاء الأرضية.

دهان صحراوي: الحجر مغطى بطبقة داكنة لامعة © Mark Marathon / CC-by-sa 4.0

ولكن هناك سؤال واحد لم تتم الإجابة عليه حتى الآن: هل هناك نظراء غير بيولوجيين إلى جانب هذه النظم البيولوجية لجني الضوء؟ من الناحية النظرية ، قد يكون هناك بعض المعادن أو المركبات الجيوكيميائية الأخرى التي توفر الطاقة للتفاعلات الكيميائية عند التعرض لأشعة الشمس - على سبيل المثال ، عن طريق إطلاق الإلكترونات. وقال أنهوي لو من جامعة بكين وزملاؤه "لكن لم يتم العثور على دليل على مثل هذا النظام الحصاد الجيولوجي".

ورنيش الكرمة والقش كارست في المعالم السياحية

لقد اكتشف الباحثون الآن "محولات الضوء" الجيولوجية هذه - فهي تولد الكهرباء من أشعة الشمس. الشيء المذهل في الأمر: إن الجهات الفاعلة في هذا التحول في الطاقة ليست نادرة أو مخفية ، ولكنها مفتوحة أمام كل العيون. لأن هذه هي القشور المعدنية والطلاء التي تميز العديد من المناظر الطبيعية لكوكبنا. يمتد النطاق من "الورنيش الصحراوي" المظلم على الصخور في الأراضي الجافة إلى الطلاء المحمر لبعض جزيئات التربة إلى الطلاء الرمادي على الصخور الكارستية.

الحيلة هنا: غالبًا ما تكون هذه القشور المعدنية غنية بشكل خاص بالحديد والمنغنيز - حيث كان الكثير معروفًا بالفعل. ويوضح الباحثون أن "الطلاء الغني بالمنغنيز الغالب يوجد عادة على الجانب المضاء بنور الشمس من الصخور ، أما الجزء السفلي فيتكون من مركبات الحديد". تتكون هذه القشور المعدنية في الغالب من أكاسيد الهيدروكسيد وأكاسيد المعادن. ومع ذلك ، فقد أثبتت أكاسيد المنغنيز على وجه الخصوص أنها محفزات فعالة للتفاعلات الكيميائية الضوئية في النظم التقنية. عرض

التدفق الحالي أثناء التشعيع

هل ينبغي أن يكون هذا هو الحال مع القشور المعدنية في الصحراء ورنيش وكارست؟ لاختبار ذلك ، أجرى الباحثون اختبارًا بسيطًا: في اختبارات الصخور ، وضعوا إلكترونين لقياس الذهب على صحراء الورنيش وأُشععا إما الطبقة الغنية بالمنغنيز أو الطبقة الغنية بالحديد مع نبضات الليزر. للمقارنة ، أجروا نفس القياسات حتى على الأسطح الصخرية المكسوة بدون ورنيش صحراوي.

بناء نظام القياس في الموقع (أعلى) ورد فعل ورنيش الصحراء الغنية بالمنغنيز على تشعيع الليزر. لو وآخرون. / PNAS

النتيجة المذهلة: رد فعل ورنيش الصحراء على الإشعاع بإطلاق الإلكترونات. كلما كان الضوء قيد التشغيل ، سجلت الأقطاب زيادة تدفق التيار. يقول الباحثون إنه عندما تم إيقاف تشغيل الليزر ، انخفض التيار إلى خط الأساس. ولاحظوا أيضًا نتائج مماثلة في اختبارات الطلاء الكارستي والطلاء المحلي لأنواع معينة من التربة. الأساس ، من ناحية أخرى ، لم تولد أي تيار خلال التشعيع.

وقال لو وفريقه: "أظهر التيار الكهروضوئي علاقة خطية مع قوة الليزر ، وهذا يدل على كفاءة ثابتة لتحويل الفوتون إلى الإلكترون". كانت الاستجابة الضوئية للقشور الغنية بالحديد مليوني أمبير لكل واط ، وأكبر بمقدار 1.7 مرة من القشور الغنية بالمنغنيز.

المولدات الكهروضوئية الطبيعية

يقول لو وفريقه: "هكذا تتصرف هذه الطلاءات المعدنية مثل المولدات الكهروضوئية الطبيعية". يمكن لراتنج الراتنج و Co تحويل ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية. وفقًا للقياسات ، يمكن إطلاق متر مربع واحد من ورنيش الصحراء في ضوء الشمس المكثف في المتوسط ​​22.3 كوادريليون من الإلكترونات التي يسببها الضوء في الثانية. يقول الباحثون: "هذه الإلكترونات الضوئية يمكن أن تكون مصدرا هاما للطاقة خارج الخلية بالنسبة للبكتيريا المحددة".

"بالنظر إلى المساحات الشاسعة من الأرض التي تغطيها هذه الطبقات المعدنية ، فإن إنتاجها من الإلكترونات الضوئية لا يكاد يذكر" ، هذا ما يؤكده لو وفريقه. "إن رد فعل هذه القشور المعدنية على ضوء الشمس يمكن أن يلعب دورًا مهمًا في العمليات الجيوكيميائية الحيوية لسطح الأرض." (وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم ، 2019: دوي: 10.1073 / pnas.1902473116)

المصدر: وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم

- ناديا بودبريجار