Per metus Žemę iš Saulės pasiekia 6 x 10²⁴ džaulių energijos. Nuo saulės energijos priklauso svarbiausia mūsų planetos cheminė reakcija – fotosintezė. Milijardus metų augalai, dumbliai ir bakterijos buvo vieninteliai organizmai, sugebėję panaudoti šį išteklių, tačiau ir jie tai daro vos 0,1 proc. efektyvumu. Vilniaus universiteto Teorinės fizikos katedros vedėjas, Fizinių ir technologijos mokslų centro Molekulinių darinių fizikos skyriaus vadovas prof. habil. dr. Leonas Valkūnas įsitikinęs, kad didesnis saulės energijos išgavimas ir panaudojimas – vienas reikšmingiausių žmonijos iššūkių.
Anot jo, Žemę pasiekiančią saulės energiją surenkant 100 proc. efektyvumu, per valandą būtų gauta tiek energijos, kad būtų patenkinti visos žmonijos metiniai poreikiai. Natūrali fotosintezė tiesiogiai arba netiesiogiai mums pagamina visą maistą ir didžiąją dalį energijos. Net iškastinis kuras kadaise susidarė būtent fotosintezės būdu.
Šiuo metu visame pasaulyje intensyviai plėtojama pramoninė silicio pagrindo saulės elementų gamyba. Milžiniškos lėšos skiriamos šių elementų efektyvumui, kuris laborotorijose jau viršija 20 proc., didinti. Taip pat daug dėmesio skiriama ir kitai perspektyviai sričiai – saulės elementams, pagamintiems iš organinių medžiagų. Tikimasi, kad tokių elementų sistemų kaina bus mažesnė nei kitų.
„Teoriškai organiniai saulės elementai galėtų būti dažų pavidalo. Nudažei namo sieną, prijungei kontaktus ir apsirūpini elektra“, – dėsto prof. L. Valkūnas.
Vienas iš tiriamų organinių elementų tipų veikia fotosintezės pagrindu: padedant saulės energijai iš anglies dvideginio ir vandens gaminami angliavandeniliai. „Tokios dirbtinės fotosintezės sistemos ne tik gamintų energiją, bet prisidėtų kovojant su klimato kaita, mat šio proceso metu naudojamas anglies dvideginis“, – teigia mokslininkas.
Šalutinis fotosintezės produktas – deguonis, kuriuo visi kvėpuojame. Vis dėlto fotosintezę vykdantiems augalams, dumbliams ir bakterijoms jis ne tik nereikalingas, bet netgi žalingas. Didėjant šviesos intensyvumui fotosintezės reakcijos vyksta greičiau, o kartu pagaminama daugiau deguonies, kuris dėl agresyvių oksidacinių savybių gali sudeginti visą fotosintezės sistemą.
Kai kuriami dirbtiniai dariniai, vykdantys dalinę fotosintezę, siekiama išgauti kuo aukštesnę krūvininkų generavimo išeigą, kartu maksimaliai apsaugant juos nuo žalingo deguonies poveikio. Supratimas, kaip su žalingu deguonies poveikiu kovoja augalai, gali būti labai naudingas ir kuriant įvairias saulės energijos akumuliavimo sistemas.
Augalai turi specialius fotosintezės slopinimo mechanizmus, kurie įsijungia padidėjus šviesos intensyvumui ir net giedriausią dieną apsaugo juos nuo susideginimo. Vadinamieji nefotocheminiai gesinimo mechanizmai yra vienas iš pagrindinių prof. L. Valkūno tyrinėjimų objektų.
„Egzistuoja keli hipotetiniai fotosintezės intensyvumo savireguliacijos modeliai. Pagal vieną iš jų, šviesos intensyvumas lemia trimatės baltymų struktūros pokyčius, o nuo jų priklauso energijos pernašos iš pigmentų į reakcijos centrus, kuriuose krūviai atsiskiria ir stimuliuoja angliavandenių sintezę ir deguonies išskyrimą, efektyvumas. Tokie baltyminės terpės struktūros pokyčiai, susieti su savireguliacijos mechanizmais, gali nulemti, kad krūviai atsiskiria ne tik reakcijos centruose“, – savo idėją, publikuotą prestižiniame mokslo žurnale „Science“, apibūdina prof. L. Valkūnas.
Augalų apsisaugojimo nuo susideginimo dėl intensyvios šviesos poveikio mechanizmus prof. L. Valkūnas su kolegomis tiria jau 15 metų. Per šį laiką intensyviai vykdyti kinetinės spektroskopijos, pavienių molekulių spektroskopijos, fluorescencijos indukcijos bei fluorescencijos su laikine ir spektrine skiriamąja geba plačiame temperatūros diapazone (nuo 15K iki kambario temperatūros) tyrimai. Rezultatams aiškinti VU Teorinės fizikos katedroje kurti modeliai ir, pasitelkiant superkomputerių galimybes, vykdomi teoriniai skaičiavimai.
Didelę dalį savo tyrimų prof. L. Valkūnas vykdė bendradarbiaudamas su mokslininkais iš Kalifornijos universiteto Berklyje, Amsterdamo Liavojo, Londono Karalienės Marijos, Mičigano, Lundo universitetų, Prancūzijos atominių tyrimų centro ir kitų garsių mokslo institucijų. Mokslininkas parengė arba dalyvavo rengiant apie 80 publikacijų, kuriose nagrinėtos su fotosintezės reguliavimu susijusios temos.
Prof. L. Valkūnas darbų ciklą „Fotoindukuotų vyksmų savireguliacija ir valdymas molekuliniuose nanodariniuose“, kuris buvo pateiktas 2017 m. Lietuvos mokslo premijų konkursui, pristatė Lietuvos mokslų akademijoje.
