Muscheln haben eine Lebensdauer von 100 Jahren oder mehr und ihre leuchtenden Farben verdanken sie den in ihrem Körper lebenden Algen. Interessant! Diese unglaublichen Lebewesen besitzen einzigartige Eigenschaften, die durch ein kürzlich durchgeführtes Experiment noch weiter verstärkt wurden. Forscher entdeckten, dass Riesenmuscheln Solarenergie effizienter nutzen können.
Photosymbiotische Riesenmuscheln besitzen vertikale Säulen aus einzelligen Algen, die Sonnenlicht absorbieren. Sie verfügen über Iridocyten, Zellen, die das Licht nach vorne streuen. Inspiriert von der Geometrie dieser Muscheln haben Forscher ein analytisches Modell entwickelt. Dieses Modell kann die Leistungsfähigkeit des Systems im Vergleich zu einem System mit ähnlicher Geometrie berechnen.
Highlights: Riesenmuscheln können Solarenergie effizienter machen Experiment
- In intensivem tropischen Sonnenlicht Quanteneffizienz von Muscheln können bis zu 43 % im Verhältnis zur Solarressource.
- Muscheln verwenden eine feste Geometrie der Lichtverdünnungsstrategie.
- Es ist möglich, dass die Solartransformator-Geometrie der Muschel für die Umwandlung von Sonnenenergie nützlich sein könnte.
- Mithilfe eines einfachen physikalischen Modells versuchen Forscher, den Zusammenhang zwischen der entwickelten Gewebestruktur von Muscheln und der Optimierung der Solarressourceneffizienz zu verstehen.
- 67 % photosynthetische Lichtnutzungseffizienz unter natürlichem tropischen Licht wurde durch das Systemmodell erreicht.
Forscher untersuchten die photosynthetische Effizienz eines komplexen biologischen Systems. Dazu gehören symbiotische Riesenmuscheln, die einzellige Algen in ihrem Gewebe beherbergen. Ein einfaches Modell eines Solartransformators wurde nach dem gleichen Prinzip wie das dieser Muscheln erstellt.
Dieses Modell erreichte unter natürlichem tropischem Licht eine photosynthetische Lichtnutzungseffizienz von rund 67 %. Lebende Muscheln können diese Effizienz möglicherweise übertreffen, wie die Forscher durch weitere Mechanismen erklärten. Demnach ist es möglich, mit intensivem natürlichem Sonnenlicht ein nachhaltiges Biomasse-System zur Erzeugung erneuerbarer Energie zu entwickeln.
Kultivierung einzelliger Algen
Die moderne Wirtschaft basiert auf photosynthetischen Produkten, die im Laufe der Erdgeschichte gesammelt wurden. Um große Mengen nicht-fossiler flüssiger Brennstoffe und chemischer Rohstoffe im industriellen Maßstab zu gewinnen, werden einzellige Algen kultiviert.
Geeignet für effiziente Solarenergieumwandlung
Generell steigt die Effizienz der biologischen Photosynthese mit abnehmendem Fluss. Es ist möglich, dass die solartransformierende Geometrie der Muschel für die Umwandlung von Sonnenenergie nützlich sein könnte.
Erleuchtung und Anwendung von Muscheln in der realen Welt
Interne künstliche Beleuchtung kann die Produktivität pro Zelle und System steigern. Allerdings führt sie im Vergleich zur Nutzung des umgebenden Sonnenlichts als Energiequelle zu höheren Stromrechnungen.
Über das Experiment
Die Demonstration basiert auch auf der erneuten Analyse experimenteller Daten aus einer Veröffentlichung von 1985. Sie trägt dazu bei, zu zeigen, dass große Muscheln im ersten Schritt der Photosynthese, der Sauerstoffentwicklung, nahezu perfekte Raten erreichen.
Um die beispiellose Effizienz dieser Muscheln zu erklären, wurde ein einfaches physikalisches Modell der Lichtstreuung und Fotoumwandlung entwickelt.
Zweck des Experiments
Forscher möchten die Machbarkeit einer effizienten Ressourcennutzung für die Photosynthese im großen Maßstab im Rahmen der Entwicklung von Solartransformatoren untersuchen . Dazu haben sie ein einfaches Rahmenkonzept entwickelt, um zu klären, wie lichteffizient ein flächendeckendes System für die Algenzucht unter natürlichem Sonnenlicht gestaltet werden kann. Als Beispiel dienten Riesenmuscheln (Gattung Tridacna ).
Das Experiment: Wie können Muscheln die Effizienz erneuerbarer Energien verbessern?
Das Muschelsystem wurde als vertikal ausgerichteter Zylinder dargestellt.
- Entlang der inneren vertikalen Wand wurde das auf die kreisförmige Oberseite des Horizonts einfallende Licht gleichmäßig neu verteilt.
- Die isolierte verdünnte Algensuspension einer Riesenmuschel wurde an den Wänden des Zylinders verwendet, um ein Photosynthese-Bestrahlungsverhalten durchzuführen.
- Mit diesem Aufbau lässt sich die Ressourceneffizienz anhand des Parameters der O2-Entwicklungsrate pro Fläche über einen Tag untersuchen.
Bewertung der Leistung des einfachen Modells
Dazu wurde die Leistung des zylindrischen Systems mit einem anderen System ähnlicher Größe und gleicher Anzahl an Algenzellen verglichen. Der einzige Unterschied bestand in der Anordnung der Algen im Volumen.
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Auswirkungen der Mehrfachstreuung Von Muscheln genutztes Phänomen
Um dies zu untersuchen, wurde das einfache analytische Modell mit einem numerischen Lichtstreuungsmodell eines realistischen Modells verglichen. Dieses Modell verfügt über diskrete realistische Zellpositionen und ein Geometriesystem, das dem Muschelsystem zu sehr ähnelt.
Entdeckte Punkte: Bessere Energieeffizienz mit Riesenmuscheln
Um eine Quanteneffizienz von 70 % zu erreichen, kann die Geometrie eines einfachen Zylindersystems durch die Lichtintensität moduliert werden . Dies geschieht durch die Aufblähungs- und Schrumpfungszyklen des Mantelgewebes. Dadurch ändert sich der effektive Zylinderradius mit der Lichtintensität. So kann das System Solarenergie effizient nutzen.
Über Riesenmuscheln
Es handelt sich um symbiotische, einzellige Algen der Dinoflagellatengattung Symbiodinium. Die im Mantelgewebe lebenden Algen betreiben Photosynthese und liefern so Energie für den Wirt. Die zugeführte Energie liegt in Form kleiner organischer Moleküle vor. Mit ihrem großen Filterapparat versorgen Riesenmuscheln das System mit Stickstoff und anderen Nährstoffen.
Eigenschaften von Riesenmuscheln (einzellige Algen)
- Sie können in Flüssigkulturen in hoher Dichte wachsen.
- Viele Arten lagern den größten Teil des photosynthetisierten Kohlenstoffs eher in intrazellulären Öltröpfchen als in komplexen extrazellulären Polymeren ab.
- Ihre Effizienz hängt stark von der Lichtintensität ab. Viele Zellen sind einer zu hohen Lichtdichte ausgesetzt, um effizient zu sein. Andere Zellen hingegen sind einer zu geringen Lichtintensität ausgesetzt, um hochproduktiv zu sein.
- Sie leben in den flachen Korallenriffen des gesamten Indopazifik.
- Sie laichen frei, ihre Larven entwickeln sich in der Wassersäule und ernähren sich von Phytoplankton.
- Sie entwickeln sich nach der Aufnahme von Algenzellen zu kleinen Muscheln mit photosynthetischen Algen in ihrem Mantelgewebe.
- Während ihres Wachstums vermehren sich einzellige Algen und entwickeln sich zu einer Reihe vertikaler säulenförmiger Strukturen.
- Der Durchmesser dieser Algensäulen beträgt etwa 100 µm und die Länge 150 µm.
Wie Muscheln leuchten?
- Algen sind im Muschelgewebe unter und um ihr Mantelgewebe und die oberflächlichen Iridozyten sichtbar und erscheinen gesättigt schwarz.
- Diese vorwärtsstreuenden Iridozyten werden bei starker gerichteter seitlicher Beleuchtung transparent.
- Anschließend werden dicht gepackte Mikroalgen in säulenförmigen Anordnungen sichtbar.
- Diese Anordnung ist innerhalb des Mantelgewebes sichtbar und führt bei Beleuchtung von oben zum Auftreten von gesättigtem schwarzem Mantelgewebe.
Der im experimentellen Modell beobachtete Ansatz der Muschel
Das Aufblasen und Entleeren des Mantelgewebes ist ein wichtiger Teil des Verhaltens von Muscheln und äußert sich meist in einer zusammenzuckenden Reaktion auf Störungen.
- Bei starkem Lichtsollte der Mantel relativ entleert werden. Der radiale Abstand zwischen den Säulen wird dadurch beeinflusst, was den Lichtverdünnungsfaktor erhöht und den Parameter verringert.
- Bei schwachem/schwacher BeleuchtungUm den effektiven radialen Säulenabstand zu vergrößern, sollte der Mantel aufgeblasen werden. Dies verringert die Lichtverdünnung und erhöht den Parameter.
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Fazit
Das numerische Modell erfasste das Phänomen der Mehrfachstreuung in Säulen mit zufällig angeordneten Algen präzise. Dies belegt eine vergleichbare Effizienz wie das einfachere analytische Modell. Es zeigt, dass es einen möglichen Lösungsansatz zur Steigerung der Effizienz von Photovoltaikanlagen gibt , die Forschung jedoch noch einen langen Weg vor sich hat.
Alle Eigenschaften des Modellsystems lassen sich durch Weiterentwicklung und Modellierung optimieren. Die Produktivität von 60.000 Litern Brennstoff pro Hektar und Jahr eines großen Systems kann übertroffen werden, wenn dessen physikalische Prinzipien denen der Riesenmuschel ähneln.
Die Forscher kommen daher zu dem Schluss, dass Riesenmuscheln die Effizienz von Solarenergie steigern können. Das experimentelle Modell gilt als nützliches Werkzeug. Es kann bei der Entwicklung zukünftiger Konzepte für den effizienten photosynthetischen Biomasseanbau helfen. Höchstwahrscheinlich wird es für die Produktion von Algen-Biokraftstoffen eingesetzt werden können. Darüber hinaus kann es den Landverbrauch für die nachhaltige Biomassegewinnung für organische Photovoltaik oder beliebige photosynthetische Systeme minimieren.
