Исследования показывают, что микробные биопленки могут лишить солнечные панели до 30% производства в засушливых регионах

Исследователи возглавили международную совместную работу по выявлению и количественной оценке воздействия микробов как недооцененной потенциальной угрозы производству солнечной энергии в самой сухой (не-полярной) пустыне мира. Недавние результаты показывают общее снижение тока короткого замыкания на 30,66 % под влиянием микроорганизмов, образующих биопленку-, обнаруженных колонизирующими поверхности фотоэлектрических панелей в пустыне Атакама. Это означает, что солнечные установки могут снизить ожидаемую выработку энергии почти на одну-треть, поскольку они снизили текущую выработку в точках короткого-замыкания.

Оценка микробного вклада в «загрязнение» солнечных панелей и их последующее влияние на выработку энергии за счет снижения эксплуатационной эффективности (как обсуждалось в разделе «Микробный вклад в загрязнение и его влияние на загрязнение фотоэлектрических модулей в экстремальных условиях в засушливых регионах пустыни Атакама») является первым исследованием такого рода, направленным на оценку влияния микробных сообществ на адгезию и стойкость пылевых покрытий на солнечных панелях в экстремальных условиях.

 

Традиционное понимание загрязнения солнечных панелей уже давно сосредоточено на накоплении частиц неорганической минеральной пыли. Однако это исследование меняет парадигму, демонстрируя, что микробная жизнь -, особенно бактерии из родовАртробактер, Дитция, иКокурия- активно колонизирует поверхности панелей и образует прочные биопленки, которые резко изменяют свойства отложений пыли.

Эти микроорганизмы производят внеклеточные полимерные вещества, или ЭПС - липкую матрицу, состоящую примерно из 65 процентов полисахаридов, 25 процентов пептидов и 10 процентов липидов. В течение 72-часового периода роста исследователи наблюдали увеличение толщины EPS с 0,2 до 0,8 микрометра. Под-сканирующей электронной микроскопией с полевой эмиссией эти биопленки выглядят как плотные трехмерные сети, которые инкапсулируют как микробные клетки, так и минеральные частицы, эффективно закрепляя слои пыли на поверхности панелей и делая их гораздо более устойчивыми к удалению.

Поразительным эволюционным поворотом стало то, что исследование также выявило каротиноидные пигменты, - особенно лютеиноподобные-соединения и родственные ксантофиллы -, продуцируемыеДитцияштаммы. Эти пигменты помогают бактериям пережить экстремальное ультрафиолетовое излучение пустыни Атакама, интенсивность которого достигает дневной интенсивности примерно 3,5 киловатт на квадратный метр.

Важно отметить, что эти фотозащитные соединения поглощают свет в спектральных диапазонах, которые перекрываются с окном преобразования монокристаллических кремниевых фотоэлектрических модулей. Это совпадение предполагает наличие дополнительного механизма оптической интерференции, при котором те самые пигменты, которые помогают бактериям переносить солнце пустыни, также конкурируют с солнечными элементами за поступающие фотоны.

Чтобы количественно оценить влияние микробных биопленок на производительность, исследователи провели тесты на ускоренную колонизацию образцов фотоэлектрического стекла в контролируемых лабораторных условиях. Результаты были поразительными: всего за семь дней развития биопленки образцы из Университета Антофагасты показали потери тока короткого замыкания в диапазоне от 15,20 до 30,66 процента. Образцы солнечной платформы в пустыне Атакама показали потери от 11,01 до 20,12 процента.

Однако автор исследования, Айтор Марзо из Университета Гранады, постарался контекстуализировать эти цифры. «Эти тесты были разработаны как ускоренные эксперименты по воспроизведению начальных стадий адгезии и консолидации биопленок в ограниченные лабораторные сроки», — пояснил он. «Наблюдаемые максимальные потери представляют собой верхнюю границу биологического воздействия и не должны напрямую интерпретироваться как типичные полевые значения». В реальных-условиях мира, отметил Марзо, колонизация происходит более постепенно и зависит от таких факторов окружающей среды, как освещенность, влажность, осаждение пыли и доступность питательных веществ.

Возможно, даже более тревожным, чем немедленные потери производительности, является открытие того, что традиционные методы очистки могут быть неэффективны против зрелых биопленок. Исследование показало, что увеличение отложения EPS усиливает сплоченность структуры биопленки, снижая эффективность стандартных методов очистки, таких как сухая чистка щеткой и промывание водой.

«Микроорганизмы являются не пассивным компонентом загрязнений, а активными агентами, которые способствуют консолидации отложений, уменьшают оптическое пропускание и снижают эффективность традиционных методов очистки», — пишут авторы.

Результаты сделаны в критический момент для мировой солнечной промышленности. По данным Международного энергетического агентства, ожидается, что до 2030 года выработка электроэнергии из возобновляемых источников будет увеличиваться примерно на 1050 тераватт{3}}часов ежегодно, при этом на солнечную фотоэлектрическую энергетику будет приходиться более 600 тераватт-часов этого роста каждый год. Только в 2025 году рост мирового производства электроэнергии с помощью солнечных фотоэлектрических систем достиг рекордных 620 тераватт-часов, что является самым большим годовым-по-приростом за всю историю наблюдений.

Большая часть этого распространения происходит в регионах с высоким-облучением, включая пустыни мира. Пустыня Атакама, где проводилось это исследование, ежегодно получает около 6800 часов эквивалентного солнечного излучения, что делает ее одним из наиболее перспективных мест для развития солнечной энергетики в любой точке Земли -, но также и одним из самых сложных с точки зрения обслуживания панелей.

Исследовательская группа подчеркнула, что их результаты подчеркивают острую необходимость включения биологических факторов в модели прогнозирования загрязнения и стратегии смягчения последствий использования фотоэлектрических систем в засушливых регионах. «Наша работа показывает, что микробные сообщества, изолированные от фотоэлектрических модулей в пустыне Атакама, демонстрируют высокую устойчивость к высыханию и экстремальному облучению», — сказал Марзо.журнал о пв.

В то же время пигментированныеДитцияштаммы, выявленные в ходе исследования, могут открыть неожиданные возможности для технологических инноваций. «Эти пигменты могут найти потенциальное биотехнологическое применение в покрытиях и технологиях самоочистки», — отмечают авторы, предполагая, что сами организмы, вызывающие проблему, могут также повлиять на разработку ее решения.

Промышленность уже предпринимает усилия по решению проблемы микробного загрязнения с помощью современных материалов. Австралийская нанотехнологическая компания Nanoveu, например, разработала гидрофильное самоочищающееся нано-покрытие, предназначенное для подавления образования биопленки и роста водорослей на солнечных панелях, в то время как другие исследовательские группы изучают супергидрофобные покрытия, которые могли бы обеспечить как самоочищающиеся-свойства, так и оптическую прозрачность.

Исследование провели исследователи из Университета Гранады в Испании и Университета Атакамы в Чили, а результаты доступны в июльском выпуске журнала 2025 года.Передовые устойчивые системы.