Σταυρούλα Κοντοβά¹, Δήμητρα Παπαδοπούλου¹, Μαρία Κούρεντα¹, Δήμητρα Ξενοπούλου²,Έλενα Νικολοπούλου³

¹Μαθητές ΓΕΛ, ²Καθηγήτρια Βιολογίας M.Sc,³Καθηγήτρια Βιολογίας Ph. D

^1,2,3Ελληνογαλλική Σχολή Ουρσουλινών

stavroula.Kontova08@yahoo.com, papademy008@gmail.com, mkoure18@gmail.com, dxenopoulou@gmail.com, elena.nikolopoyloy@gmail.com

ΠΕΡΙΛΗΨΗ

Η δέσμευση της ηλιακής ενέργειας και η άμεση μετατροπή της σε άλλη μορφή προς όφελος του ανθρώπου αποτελεί τον στόχο της εργασίας μας. Οι ενεργειακές ανάγκες των ανθρώπων συνεχώς αυξάνονται και οι ακραίες αλλαγές του κλίματος καθιστούν επιτακτική την ανάγκη χρήσης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, φιλικών προς το περιβάλλον. Στο πλαίσιο αυτό και σε συνδυασμό με την αξιοποίηση της υπάρχουσας βιβλιογραφίας κατασκευάσαμε φωτοχημικό σύστημα Κυψελών, στηριζόμενοι στην άφθονη ηλιακή ενέργεια του τόπου μας και τις φυτικές χρωστικές , τις ανθοκυανίνες, που περιέχουν τα μύρτιλα, τα σμέουρα και τα βατόμουρα (άγρια πολυετή φυτά του τόπου μας ). Χρησιμοποιώντας οξείδιο του τιτανίου σε 2 διαφορετικές μορφές, γραφίτη, διάλυμα Lugol και τις μωβ χρωστικές από βατόμουρα σε μία διάταξη αποτελούμενη από 2 γυάλινες πλάκες, παρήχθη ρεύμα χαμηλής ισχύος με τελικό σκοπό να τροφοδοτήσει λαμπτήρα LED που χρησιμοποιήθηκε στη λειτουργία του θερμοκηπίου που κατασκεύασε ομάδα συμμαθητών μας για το Συνέδριo ACSTAC. Επιπλέον αξιοποιήσαμε την αλλαγή χρώματος των ανθοκυανινών σε ζωγραφιές συμμαθητών μας, γνωρίζοντας ότι σε όξινο περιβάλλον αποκτούν κόκκινο και σε βασικό μπλε χρώμα . Στην εργασία αυτή έγινε προσπάθεια να πειραματιστούμε στην παραγωγή φθηνής ενέργειας από φωτοχρωστικές (ΣΤΟΧΟΣ ΟΥΝΕΣΚΟ 7), να δραστηριοποιηθούμε για το κλίμα (ΣΤΟΧΟΣ ΟΥΝΕΣΚΟ 13) και να συνεργαστούμε με άλλη ομάδα για επίτευξη στόχων (ΣΤΟΧΟΣ 17).

Λέξεις κλειδιά: ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, βατόμουρα, ανθοκυανίνες, αγώγιμο υλικό, φωτοκυψέλες

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Στα πράσινα μέρη των φυτών η ηλιακή ενέργεια δεσμεύεται και μετατρέπεται σε χημική ενέργεια με τη βοήθεια της φωτοσύνθεσης.Το φάσμα του ηλιακού φωτός που διεγείρει φωτοσυνθετικά τα φυτά είναι από 400 έως 700 nm. Ένα μικρό ποσοστό της ηλιακής ενέργειας, μικρότερο από 5%, που φθάνει στη Γη, μπορεί να μετατραπεί σε σάκχαρα με την φωτοσύνθεση, γιατί το μεγαλύτερο μέρος της δεν μπορεί να απορροφηθεί από τις φωτοσυνθετικές χρωστικές. Στα 600-700 nm του ηλιακού φάσματος – κόκκινη περιοχή- σημειώνεται η μέγιστη απορρόφηση φωτός και CO 2 . H χλωροφύλλη, η κυριότερη φωτοσυνθετική χρωστική παρουσιάζει μέγιστη απορρόφηση στην μπλε (400-500 nm) και την κόκκινη περιοχή.

Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία που κυκλοφορούν στο εμπόριο στηρίζονται στον ημιαγωγό ΠΥΡΙΤΙΟ που απορροφά φωτόνια από τον ήλιο και στο κύκλωμα που δημιουργείται παράγεται ηλεκτρική τάση. Τα φωτοβολταïκά στοιχεία ανήκουν στις ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ και παράγουν με σχετικά υψηλό κόστος, φθηνή ηλεκτρική ενέργεια, χωρίς να ρυπαίνουν την ατμόσφαιρα.

Το 1991 ο καθηγητής Grätzel κατασκεύασε χημικό – φωτοβολταïκό σύστημα η λειτουργία του οποίου στηρίζεται στην χρώση με οργανικές φυτικές χρωστικές (ανθοκυανίνες) του ημιαγωγού TiO2 . Αποτελεί μια εναλλακτική μέθοδο έναντι της χρήσης του πυριτίου. Βέβαια σύμφωνα με τη βιβλιογραφία στην οποία ανατρέξαμε και με βάση τα δεδομένα των πειραμάτων μας, τα οποία επαναλήφθηκαν πολλές φορές, η ενεργειακή απόδοση είναι πολύ μικρότερη της προσδοκώμενης αλλά είναι φθηνότερα τα υλικά που χρησιμοποιούνται και λειτουργουν σε διάχυτο φως. Το πείραμα χαρακτηρίστηκε από την ομάδα συναρπαστικό και έγινε πρόταση να ενταχθεί στον κατάλογο πειραμάτων Φυσικών Επιστημών της γ΄Γυμνασίου. Επίσης οι ανθοκυανίνες που χρησιμοποιήθηκαν ως φωτοχρωστικές, αποτέλεσαν δείκτη pH καθώς αλλάζουν χρώμα ανάλογα το ιοντικό περιβάλλον που θα βρεθούν.

Εικόνα 1,2: Τροφές που περιέχουν ανθοκυανίνες

ΟΙ ΣΤΟΧΟΙ ΜΑΣ

Να παρατηρήσουμε την συμπεριφορά των ανθοκυανινών σε όξινο και βασικό περιβάλλον
Να κατασκευάσουμε φωτοκυψέλες με οξείδιο του τιτανίου TiO 2 και να παράξουμε ρεύμα
Να χρησιμοποιήσουμε άλλες μορφές οξειδίων , άλλες χρωστικές και να παρατηρήσουμε την συμπεριφορά τους ως δότες ηλεκτρονίων
Να αξιοποιήσουμε, εφόσον αυτό είναι δυνατόν το παραγόμενο ρεύμα σε έναν λαμπτήρα για να τον χρησιμοποιήσουμε στο θερμοκήπιο των συμμαθητών μας και να χρησιμοποιήσουμε ανθοκυανίνες από τα ραπανάκια που έχουν καλλιεργήσει οι συμμαθητές μας

ΑΝΘΟΚΥΑΝΙΝΕΣ ΔΕΙΚΤΕΣ pH

Οι ανθοκυανίνες είναι χρωστικές που βρίσκονται σε τροφές που παρουσιάζονται στο παράρτημα στις εικόνες 1,2 καθώς η περιεκτικότητά τους ατην εικόνα 3. Οι φωτοχρωστικές αυτές είναι οργανικές ενώσεις που περιέχουν κυκλικές δομές και απορροφούν φως. Το χρώμα των ανθοκυανινών εξαρτάται από το pH του διαλύματος και λειτουργεί ως ένας φυσικός δείκτης pH. Η δομή των ανθοκυανινών είναι ιοντική και γιαυτό σε όξινες συνθήκες, οι περισσότερες από τις ανθοκυανίνες εμφανίζονται κόκκινες, μωβ σε ουδέτερο pH και μπλε σε βασικές τιμές του pH. Η προσθήκη και η αφαίρεση κατιόντων υδρογόνου (H+) στη μοριακή δομή της χρωστικής αλλάζει τις ηλεκτρονιακές ιδιότητες και έτσι μεταβάλλει τα μήκη κύματος του φωτός που απορροφά η χρωστική.

Εικόνα 3: Διαδικασία μέτρησης pH ανθοκυανινών

ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΟΡΓΑΝΙΚΗΣ ΦΩΤΟΚΥΨΕΛΗΣ ΚΑΤΑ ΤΟ ΠΡΟΤΥΠΟ GRATZEL

a) ΟΡΓΑΝΑ ΚΑΙ ΥΛΙΚΑ:

Βατόμουρα, μύρτιλλα, βρασμένα παντζάρια, ραπανάκια (διατηρούνται στο ψυγείο)
Αγώγιμες γυάλινες επιφάνειες (2-0,3-2,5cm) με FTO (τις προμηθευτήκαμε απο το εμπόριο)
Πάστα διοξειδίου του τιτανίου, οξείδιο του αργιλίου, οδοντόπαστα sensodyne
Διάλυμα Lugol
Clips
Πολύμετρο

b) ΠΟΡΕΙΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΟΣ

Με την βοήθεια του πολύμετρου μετράμε την αγωγιμότητα των 2 γυάλινων πλακιδίων, βρίσκουμε την αγώγιμη επιφάνειά τους , τοποθετώντας τον δείκτη του πολύμετρου στα 2000 Ωhm. Η πλευρά με την μικρότερη τιμή αντίσταση είναι η ζητούμενη. Το ένα γυάλινο πλακίδιο θα λειτουργήσει ως ΆΝΟΔΟΣ και το άλλο ως ΚΑΘΟΔΟΣ.
Το γυαλάκι ΑΝΟΔΟΣ το σταθεροποιούμε σε επιφάνεια με κολλητική ταινία που καλύπτει 4 mmτης κάθε πλευράς της ΑΝΟΔΟΥ.
Προσθέτουμε μικρή ποσότητα πάστας διοξειδίου του τιτανίου ( απο το εμπόριο) και με μια γυάλινη ράβδο απλώνουμε ομοιόμορφα το οξείδιο, ώστε να σχηματιστεί μια λεπτή στρώση οξειδίου. Αφήνουμε τη στρώση για 5 λεπτά.
Στη συνέχεια θερμαίνουμε την … ΑΝΟΔΟ σε λύχνο Bunsen για περίπου 30 λεπτά. Η πάστα από λευκή έγινε υποκίτρινη.
Όση ώρα θερμαίνεται η πάστα, προετοιμάζουμε τα διάλυμα των χρωστικών.
Βατόμουρα , μύρτιλλα και παντζάρια αντίστοιχα, τα συνθλίβουμε σε πορσελάνινη κάψα με ένα γουδί και προσθέτουμε μικρή ποσότητα νερού.
Αφήνουμε την ΑΝΟΔΟ να κρυώσει.
Σε μία κάψα προσθέτουμε το διάλυμα των χρωστικών και την ΑΝΟΔΟ για 45 λεπτά
Ζωγραφίζουμε την κάθοδο με μολύβι η την μαυρίζουμε με την φλόγα από έναν αναπτήρα
Με απιονισμένο νερό αποπλένω την ΑΝΟΔΟ και την στεγνώνω προσεκτικά με την χαρτοπετσέτα.
Συνδέoυμε κατάλληλα με κλιπς ΑΝΟΔΟ με ΚΑΘΟΔΟ, η επιφάνεια με τη χρώση να έρθει σε επαφή με την επιφάνεια που έχει τον γραφίτη. Η σύνδεση θα είναι κατάλληλη ώστε να υπάρχει χώρος για τα κροκοδειλάκια των καλωδίων.
Προστέθηκε ηλεκτρολύτης ανάμεσα στην ΑΝΟΔΟ και την ΚΑΘΟΔΟ για να κλείσει το κύκλωμα.
Συνδέουμε τα κροκοδειλάκια με τα καλώσια του πολύμετρου και εκθέτουμε την κυψέλη στο διάχυτο ηλιακό φως και στο σκοτάδι.

Το πείραμα επαναλήφθηκε με χρήση οξειδίου του αργιλίου και οδοντόπαστας sencodyne που περιέχει TiO 2 ως λευκαντική ουσία καθώς και χλωροφυλλών – ξανθοφυλλών ως φωτοχρωστικές που διεγείρονται με την επίδραση φωτονίων.

ΑΠΟΜΟΝΩΣΗ ΤΩΝ ΦΩΤΟΣΥΝΘΕΤΙΚΩΝ ΧΡΩΣΤΙΚΩΝ ΑΠΟ ΦΥΛΛΑ ΜΑΡΟΥΛΙΟΥ

a) ΟΡΓΑΝΑ ΚΑΙ ΥΛΙΚΑ

Δύο ποτήρια ζέσεως (Pyrex), το ένα 250 και το άλλο 600 mL ή μεγαλύτερο
Δοκιμαστικοί σωλήνες
Λύχνος υγραερίου
Γυάλινη ράβδος για ανάδευση
Φρεσκοκομένα φύλλα μαρουλιού
Νερό
Οινόπνευμα
Βενζίνη

b) ΠΟΡΕΙΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΟΣ

Εκχυλίζουμε τις χρωστικές από φύλλα μαρουλιού, βράζοντας 250ml νερού στο οποίο προσθέτουμε τα φύλλα για 5min και ανακατεύοντας. Τα κυτταρικά τοιχώματα των φυτικών κυττάρων σπάνε ώστε να διευκολυνθεί η εκχύλιση των χρωστικών.
Σε ένα δεύτερο ποτήρι ζέσεως προσθέτουμε 50ml οινοπνεύματος, με λαβίδα ανασύρουμε τα φύλλα από το νερό και τα προσθέτουμε στο οινόπνευμα για να ολοκληρωθεί η εκχύλιση των χρωστικών.
Μετά από 8 min η εκχύλιση των χρωστικών έχει προχωρήσει σε ικανοποιητικό βαθμό και το οινόπνευμα αποκτά βαθύ πράσινο χρώμα.
Ρίχνουμε μέρος του εκχυλίσματος σε δοκιμαστικό σωλήνα και προσθέτουμε βενζίνη, με τελική αναλογία 3:1 αντίστοιχα.
Ανακινούμε πολλές φορές και δυνατά.
Αφήνουμε το διάλυμα να ηρεμήσει και παρατηρούμε το σχηματοσμό 2 στιβάδων (στο οινόπνευμα βρίσκονται διαλυμένες οι χλωροφύλλες και στη βενζίνη οι ξανθοφύλλες).
Με μία πιπέτα λαμβάνουμε ποσότητα χλωροφυλλών και χρωματίζουμε την άνοδο που έχουμε προετοιμάσει με τη διαδικασία που αναφέραμε στο 2⁰ πείραμα.
Αντίστοιχα, λαμβάνουμε ποσότητα ξανθοφυλλών και χρωματίζουμε δεύτερο πλακίδιο που θα λειτουργήσει ως άνοδος.
Καταγράφουμε τη διαφορά δυναμικού που αναπτύσσεται μεταξύ ανόδου/καθόδου σε συνθήκες φωτός/σκότους.

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ

Στον πίνακα 1 καταγραφονται οι μετρήσεις της τάσης ανά χρωστική και είδος υποστρώματος TiO2 που χρησιμοποιήσαμε, οι οποίες απεικονίζονται στο ραβδόγραμμα 1(Παράρτημα).

Πίνακας 1

Ραβδόγραμμα 1

Οι τιμές αποτελούν μέσο όρο καταγραφής μετρήσεων σε σύνολο 3 πειραμάτων για τις διαφορετικές πειραματικές συνθήκες, με τις αναλυτικές μετρήσεις και τους υπολογισμους να παρουσιάζονται στον πίνακα 2 (Παράρτημα).

Πίνακας 2

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Αντικατάσταση της πάστας TiO 2 με οδοντόπαστα που περιείχε ως λευκαντική ουσία το TiO2 βελτιστοποίησε τα αποτελέσματά μας.
Η χρήση οδοντόπαστας με το TiO 2 ως λευκαντική ουσία, έδωσε λεπτότερες στρώσεις στη γυάλινη επιφάνεια, σωστότερη θέρμανση (δεν σχηματίζονταν … νιφάδες οξειδίου) και μεγαλύτερες τιμές τάσης.
Παρατηρήσαμε ότι καλύτερες αποδόσεις είχε το κύκλωμα όταν χρησιμοποιήσαμε χρωστικές από βατόμουρα.
Η χρήση των ξανθοφυλλών και των χλωροφυλλών δεν είχαν τα αναμενόμενα αποτελέσματα, ίσως γιατί δεν φέρουν κατάλληλες συνδετικές ομάδες στο μόριό τους. Σύμφωνα με την βιβλιογραφία οι σκουρόχρωμες χρωστικές απορροφούν μεγαλύτερο μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας και έχουν ισχυρότερους δεσμούς με τον ημιαγωγό.
Η αντικατάσταση του οξειδίου του τιτανίου με ένα ισχυρότερο οξείδιο και δραστικότερο όπως το οξείδιο του αργιλίου δεν έδωσε τις αναμενόμενες τιμές.

Συμπερασματικά, η κυψέλη που δημιουργήσαμε συνέβαλε στην παραγωγή ρεύματος. Η παραγόμενη ισχύς είναι σημαντικά χαμηλή, ωστόσο η χρήση των κυψελών σε συστοιχία, μπορεί να δώσει ικανοποιητική ισχύ για να λειτουργήσει ο λαμπτήρας του θερμοκηπίου.

ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ

Η εμπειρία του διαγωνισμού ACSTAC θα μείνει χαραγμένη στις καρδιές μας καθώς αφενός καταφέραμε να αποκτήσουμε θεμελιώδεις γνώσεις σε όλους τους τομείς και ειδικότερα στην κατανόηση και εφαρμογή των στόχων βιώσιμης ανάπτυξης του ΟΗΕ και αφετέρου επικοινωνήσαμε και δημιουργήσαμε φιλικές σχέσεις με παιδιά απ’όλη την Ελλάδα. Θα θέλαμε συνεπώς να ευχαριστήσουμε το «Αμερικανικό Κολλέγιο Ανατόλια» που μας έδωσε την ευκαιρία να παρουσιάσουμε την εργασία μας και να παρακολουθήσουμε τις εργασίες των υπόλοιπων παιδιών. Επιπλέον, είμαστε ευγνώμονες που είχαμε την στήριξη και την αγάπη των καθηγητριών βιολογίας Δήμητρας Ξενοπούλου και Έλενας Νικολοπούλου από την «Ελληνογαλλική Σχολή Ουρσουλινών» οι οποίες όσο καλές είναι στη δουλεία τους τόσο υπέροχοι και καλόψυχοι άνθρωποι είναι. Τέλος, ευελπιστούμε πως το άρθρο αυτό θα σας κινήσει την περιέργεια για τις ιδιότητες των ανθοκυανινών και ίσως καταφέρει να σας ωθήσει να βρείτε τρόπους εναλλακτικούς και καινοτόμους με κύριο στόχο την προστασία και τη διαφύλαξη του περιβάλλοντος.

ΑΝΑΦΟΡΕΣ

Kammerer D.R., 2016. Anthocyanins. In «Handbook on Natural Pigments in Food and Beverages», Elsevier Ltd.

Liu,J. and van Iersel, M.W. (2021). Photosynthetic Phycology of Blue, Green, and Red Light: Light Intensity Effects and Underlying Mechanisms. Front. Plant Sci. 12:619987

Learn Chemistry: Enhancing learning and teaching with the RSC (www.rsc.org/learn-chemistry) https://www.scienceinschool.org/el/article/2022/colour-in-nature-true-blue

Βαμμένα Φωτοευαίσθητα Ηλιακά Κύτταρα (Φωτοβολταϊκά, DCCS) Τμήμα Επιστήμης και Τεχνολογίας Υλικών, Ευθυμιάδη Ευθυμία

Uses of new natural dye photosensitizers in fabrication of high potential dye-sensitised solar cells, M.Hammadanian, 2014

Μελέτη και παρασκευή ευαισθητοποιημένων ηλεκτροχημικών κυψελίδων – Οργανικά Φ/Β., Συρροκώστας Γ., Μεταπτυχιακή Διπλωματική εργασία, Εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, Πάτρα: Τμήμα Φυσικής 2007

Gratzel M,Durrant J. Nanostructured and photoelectrochemical systems for solar photon convention.2008, Κεφ. 8, Τομ. 3