Badania ujawniają, że biofilmy mikrobiologiczne mogą okraść panele słoneczne nawet o 30% wydajności w regionach suchych

Naukowcy przeprowadzili międzynarodową współpracę, aby zidentyfikować i określić ilościowo wpływ drobnoustrojów jako niedocenianego potencjalnego zagrożenia dla produkcji energii słonecznej na najsuchszej (-niepolarnej) pustyni świata. Ostatnie wyniki wskazują na ogólny spadek prądu zwarciowego-o 30,66% pod wpływem mikroorganizmów tworzących biofilm-, kolonizujących powierzchnie paneli fotowoltaicznych na pustyni Atakama. Ma to konsekwencje takie, że instalacje fotowoltaiczne mogą zmniejszać oczekiwaną wydajność energii o prawie jedną-jedną trzecią, ponieważ obniżyły swoją obecną wydajność w-punktach zwarć.

Ocena udziału drobnoustrojów w „zabrudzeniu” paneli słonecznych i ich późniejszego wpływu na uzysk energii poprzez zmniejszoną wydajność operacyjną (jak omówiono w artykule „Mikrobialny wkład w zabrudzenia i jego wpływ na zabrudzenia modułów fotowoltaicznych w ekstremalnych środowiskach w suchych regionach pustyni Atakama”) to pierwsze tego rodzaju badanie mające na celu ocenę wpływu społeczności drobnoustrojów na przyczepność i trwałość powłok przeciwpyłowych na panelach słonecznych w ekstremalnych środowiskach.

 

Konwencjonalne rozumienie zanieczyszczeń paneli słonecznych od dawna koncentruje się na gromadzeniu się nieorganicznych cząstek pyłu mineralnego. Jednak to badanie zmienia paradygmat, wykazując, że życie drobnoustrojów -, zwłaszcza bakterie z rodzajówArthrobacter, Dietzia, IKocuria- aktywnie kolonizują powierzchnie paneli i wytwarzają wytrzymałe biofilmy, które radykalnie zmieniają właściwości osadów pyłowych.

Te mikroorganizmy wytwarzają zewnątrzkomórkowe substancje polimerowe, czyli EPS -, lepką matrycę złożoną z około 65 procent polisacharydów, 25 procent peptydów i 10 procent lipidów. W ciągu 72-godzinnego okresu wzrostu badacze zaobserwowali wzrost grubości EPS z 0,2 do 0,8 mikrometra. W skaningowej mikroskopii elektronowej-emisyjnej pola te biofilmy wyglądają jak gęste, trójwymiarowe sieci, które otaczają zarówno komórki drobnoustrojów, jak i cząstki mineralne, skutecznie cementując warstwy kurzu na powierzchni paneli i czyniąc je znacznie bardziej odpornymi na usuwanie.

W ramach uderzającego zwrotu ewolucyjnego w badaniu zidentyfikowano także pigmenty karotenoidowe, -w szczególności związki podobne do luteiny-i pokrewne ksantofile - wytwarzane przezDietziaszczepy. Pigmenty te pomagają bakteriom przetrwać ekstremalne promieniowanie ultrafioletowe na pustyni Atakama, które osiąga dzienne natężenie około 3,5 kilowata na metr kwadratowy.

Co najważniejsze, te związki fotoprotekcyjne absorbują światło w zakresach widmowych pokrywających się z oknem konwersji modułów fotowoltaicznych z krzemu monokrystalicznego. To nakładanie się sugeruje dodatkowy mechanizm interferencji optycznej, w którym pigmenty pomagające bakteriom przetrwać pustynne słońce, konkurują również z ogniwami słonecznymi o nadchodzące fotony.

Aby określić ilościowo wpływ biofilmów drobnoustrojów na wydajność, naukowcy przeprowadzili przyspieszone testy kolonizacyjne na próbkach szkła fotowoltaicznego w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych. Wyniki były uderzające: już po siedmiu dniach powstawania biofilmu próbki z Uniwersytetu w Antofagasta wykazały-straty prądu zwarciowego w zakresie od 15,20% do 30,66%. Próbki z platformy słonecznej Atacama Desert wykazały straty od 11,01% do 20,12%.

Jednak autor badania, Aitor Marzo z Uniwersytetu w Granadzie, ostrożnie umieścił te liczby w kontekście. „Testy te zaprojektowano jako przyspieszone eksperymenty mające na celu odtworzenie początkowych etapów adhezji i konsolidacji biofilmu w ograniczonych ramach czasowych laboratorium” – wyjaśnił. „Maksymalne zaobserwowane straty stanowią górną granicę wpływu biologicznego i nie należy ich bezpośrednio interpretować jako typowych wartości terenowych”. Marzo zauważył, że w rzeczywistych-warunkach świata kolonizacja zachodzi bardziej stopniowo i wpływają na nią czynniki środowiskowe, takie jak natężenie promieniowania, wilgotność, osadzanie się kurzu i dostępność składników odżywczych.

Być może nawet bardziej niepokojące niż natychmiastowe straty wydajności jest odkrycie, że konwencjonalne metody czyszczenia mogą być nieskuteczne w przypadku dojrzałych biofilmów. Badanie wykazało, że zwiększone osadzanie się EPS zwiększa spójność struktury biofilmu, zmniejszając skuteczność standardowych technik czyszczenia, takich jak szczotkowanie na sucho i płukanie wodą.

„Mikroorganizmy nie są biernym składnikiem zanieczyszczeń, ale aktywnymi czynnikami, które przyczyniają się do konsolidacji osadów, zmniejszają przepuszczalność optyczną i zmniejszają skuteczność konwencjonalnych metod czyszczenia” – napisali autorzy.

Odkrycia pojawiają się w krytycznym momencie dla światowego przemysłu fotowoltaicznego. Według Międzynarodowej Agencji Energetycznej oczekuje się, że do roku 2030 produkcja energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych będzie rosła o około 1050 terawatogodzin-rocznie, przy czym fotowoltaika będzie odpowiadać za ponad 600 terawatogodzin-godzin tego wzrostu każdego roku. Tylko w 2025 r. wzrost światowej produkcji energii elektrycznej z fotowoltaiki osiągnął rekordową wartość 620 terawatogodzin-, co stanowi największy wzrost w historii.

Duża część tej ekspansji ma miejsce w regionach-o wysokim napromieniowaniu, w tym na pustyniach świata. Pustynia Atacama, na której przeprowadzono niniejsze badanie, jest co roku przez około 6800 godzin równoważnego promieniowania słonecznego, co czyni ją jedną z najbardziej obiecujących lokalizacji dla rozwoju energii słonecznej na Ziemi -, ale także jedną z najtrudniejszych pod względem konserwacji paneli.

Zespół badawczy podkreślił, że ich odkrycia podkreślają pilną potrzebę uwzględnienia czynników biologicznych w modelach przewidywania zanieczyszczeń i strategiach łagodzenia skutków stosowania systemów fotowoltaicznych w regionach suchych. „Nasza praca pokazuje, że społeczności drobnoustrojów wyizolowane z modułów fotowoltaicznych na pustyni Atacama wykazują wysoką tolerancję na wysychanie i ekstremalne natężenie promieniowania” – powiedział Marzo.magazyn pw.

Jednocześnie pigmentowanyDietziaszczepy zidentyfikowane w badaniu mogą otworzyć nieoczekiwane możliwości innowacji technologicznych. „Pigmenty te mają potencjalne zastosowania biotechnologiczne w powłokach i technologiach-samooczyszczania” – zauważyli autorzy, sugerując, że same organizmy powodujące problem mogą również wpływać na rozwój jego rozwiązania.

Branża podejmuje już wysiłki mające na celu rozwiązanie problemu zanieczyszczeń mikrobiologicznych za pomocą zaawansowanych materiałów. Na przykład australijska firma nanotechnologiczna Nanoveu opracowała hydrofilową-samoczyszczącą nano-powłokę zaprojektowaną w celu hamowania tworzenia biofilmu i wzrostu glonów na panelach słonecznych, podczas gdy inne grupy badawcze badają powłoki superhydrofobowe, które mogłyby zapewnić zarówno właściwości-samoczyszczące, jak i przezroczystość optyczną.

Badanie przeprowadzili naukowcy z Uniwersytetu w Granadzie w Hiszpanii i Uniwersytetu Atacama w Chile, a jego wyniki opublikowano w lipcowym numerze czasopisma z 2025 r.Zaawansowane zrównoważone systemy.