I en elektrifierande första, Stanford-forskare har anslutit till algceller och utnyttjat en liten elektrisk ström. De hittade det vid själva källan till energiproduktion - fotosyntes, en växts metod att omvandla solljus till kemisk energi. Det kan vara ett första steg mot att generera "högeffektiv" bioelektricitet som inte avger koldioxid som en biprodukt, säger forskarna.

"Vi tror att vi är de första som extraherar elektroner ur levande växtceller, " sa WonHyoung Ryu, huvudförfattaren till tidningen som publicerades i marsnumret av Nanobokstäver . Ryu genomförde experimenten medan han var forskarassistent för maskinteknikprofessor Fritz Prinz.

Stanfords forskargrupp utvecklade en unik, ultraskarp nanoelektrod gjord av guld, speciellt utformad för att sondera inuti celler. De tryckte den försiktigt genom algcellmembranen, som tätade runt den, och cellen höll sig vid liv. Från de fotosyntetiserande cellerna, elektroden samlade elektroner som hade strömmats av ljus och forskarna genererade en liten elektrisk ström.

"Vi är fortfarande i det vetenskapliga stadiet av forskningen, " sa Ryu. "Vi hade att göra med enstaka celler för att bevisa att vi kan skörda elektronerna."

Växter använder fotosyntes för att omvandla ljusenergi till kemisk energi, som lagras i bindningarna av sockerarter som de använder till mat. Processen sker i kloroplaster, de cellulära kraftverken som gör sockerarter och ger löv och alger sin gröna färg. I kloroplasterna, vatten delas till syre, protoner och elektroner. Solljus tränger in i kloroplasten och sänker elektronerna till en hög energinivå, och ett protein griper dem omedelbart. Elektronerna leds ner genom en serie proteiner, som successivt fångar upp mer och mer av elektronernas energi för att syntetisera sockerarter tills all elektronens energi är förbrukad.

I detta experiment, forskarna fångade upp elektronerna precis efter att de hade blivit exciterade av ljus och var på sina högsta energinivåer. De placerade guldelektroderna i kloroplasterna i algcellerna, och sugde bort elektronerna för att generera den lilla elektriska strömmen.

Resultatet, forskarna säger, är elproduktion som inte släpper ut kol i atmosfären. De enda biprodukterna av fotosyntesen är protoner och syre.

"Detta är potentiellt en av de renaste energikällorna för energiproduktion, " sa Ryu. "Men frågan är, är det ekonomiskt genomförbart?"

Ryu sa att de kunde dra från varje cell bara en picoampere, en mängd elektricitet så liten att de skulle behöva en biljon cellers fotosyntetisering i en timme bara för att motsvara mängden energi som lagras i ett AA-batteri. Dessutom, cellerna dör efter en timme. Ryu sa att små läckor i membranet runt elektroden kunde döda cellerna, eller så kanske de håller på att dö för att de förlorar energi som de normalt skulle använda för sina egna livsprocesser. Ett av nästa steg skulle vara att justera elektrodens design för att förlänga cellens livslängd, sa Ryu.

Att skörda elektroner på detta sätt skulle vara effektivare än att bränna biobränslen, eftersom de flesta växter som bränns för bränsle i slutändan bara lagrar cirka 3 till 6 procent av tillgänglig solenergi, sa Ryu. Hans process kringgår behovet av förbränning, som bara utnyttjar en del av en växts lagrade energi. Elektronskörd i denna studie var cirka 20 procent effektiv. Ryu sa att det teoretiskt skulle kunna nå 100 procent effektivitet en dag. (Fotovoltaiska solceller är för närvarande cirka 20-40 procent effektiva.)

Möjliga nästa steg skulle vara att använda en anläggning med större kloroplaster för ett större uppsamlingsområde, och en större elektrod som kunde fånga fler elektroner. Med en längre livslängd växt och bättre uppsamlingsförmåga, de kan skala upp processen, sa Ryu. Ryu är nu professor vid Yonsei University i Seoul, Sydkorea.