Mosselen hebben een levensduur van 100 jaar of meer en hun felle kleuren zijn het resultaat van levende algen in hun lichaam. Interessant! Deze ongelooflijke wezens zitten vol met unieke eigenschappen en een aanvulling op hen kwam met een recent experiment. Onderzoekers ontdekten dat reuzenmosselen zonne-energie efficiënter kunnen maken.
Fotosymbiotische reuzenschelpen hebben verticale kolommen van eencellige algen die zonlicht absorberen. Ze bezitten cellen die licht naar voren verstrooien, iridocyten genaamd. Geïnspireerd door de geometrie die bij de schelpen is waargenomen, hebben onderzoekers een analytisch model ontwikkeld. Dit model kan de prestaties van een systeem met een vergelijkbare geometrie als schelpen berekenen.
Hoogtepunten: Reuzenmosselen kunnen zonne-energie efficiënter maken Experiment
- In intens tropisch zonlicht, de kwantum efficiëntie van mosselen kan oplopen tot 43% ten opzichte van de zonnebron.
- Mosselen gebruiken een vaste geometrie van de lichtverdunningsstrategie.
- Het is mogelijk dat de zonne-transformatorgeometrie van de mossel nuttig kan zijn voor de omzetting van zonne-energie.
- Met een eenvoudig natuurkundig model proberen onderzoekers inzicht te krijgen in de relatie tussen de geëvolueerde weefselstructuur van mosselen en de optimalisatie van de efficiëntie van zonne-energiebronnen.
- 67% fotosynthetische lichtgebruiksefficiëntie onder natuurlijk tropisch licht werd bereikt door het systeemmodel.
Onderzoekers bestudeerden de fotosynthetische efficiëntie van een complex biologisch systeem. Het omvat symbiotische reuzenmosselen die eencellige algen in hun weefsels huisvesten. Een eenvoudig model van een zonnetransformator werd voorbereid op dezelfde logica als die van deze mosselen.
Dit model behaalde een fotosynthetische lichtbenuttingsefficiëntie van ongeveer 67% onder natuurlijk tropisch licht. Het is mogelijk dat levende schelpdieren deze efficiëntie kunnen overtreffen, dankzij aanvullende mechanismen die door de onderzoekers zijn beschreven. Op basis hiervan is het mogelijk een duurzaam biomassasysteem te ontwerpen dat gebruikmaakt van intens natuurlijk zonlicht om hernieuwbare energie op te wekken.
Het kweken van eencellige algen
De moderne economie draait op fotosynthetische producten die in de loop van de geologische tijd zijn verzameld. Om op industriële schaal grote hoeveelheden niet-fossiele vloeibare brandstoffen en chemische grondstoffen te verzamelen, worden eencellige algen gekweekt.
Toepasbaar voor efficiënte zonneconversie
Over het algemeen neemt de efficiëntie van biologische fotosynthese toe met afnemende flux. Het is mogelijk dat de zonne-transformatorgeometrie van de clam nuttig kan zijn voor de omzetting van zonne-energie.
Verlichting van mosselen en toepassing in de echte wereld
Interne kunstmatige verlichting kan leiden tot een hogere productiviteit per cel en systeem. Deze leiden echter tot hoge elektriciteitsrekeningen in vergelijking met het gebruik van omgevingszonlicht als energiebron.
Over het experiment
De demonstratie is ook gebaseerd op een heranalyse van experimentele gegevens uit een artikel uit 1985. Het helpt aan te tonen dat grote schelpdieren fotosynthetiseren met een bijna perfecte snelheid in de eerste zuurstofproductiestap van de fotosynthese.
Om de ongekende efficiëntie van deze mosselen te verklaren, werd een eenvoudig fysisch model van lichtverstrooiing en fotoconversie ontwikkeld.
Doel van het experiment
Onderzoekers willen de haalbaarheid van grootschalige, op hulpbronnen gebaseerde efficiëntie voor fotosynthese in het ontwerp van een zonne-energietransformator begrijpen . Daarom hebben ze hiervoor een eenvoudig raamwerk ontwikkeld. Het doel is om te onderzoeken hoe lichtefficiënt een ruimtebestrijkend systeem voor algenteelt onder omgevingszonlicht kan zijn. Hiervoor werden reuzenschelpen (geslacht Tridacna ) als voorbeeld genomen.
Het Experiment: Hoe kunnen mosselen de efficiëntie van hernieuwbare energiebronnen verbeteren?
Het clamsysteem werd voorgesteld als een verticaal georiënteerde cilinder.
- Langs de binnenste verticale wand werd het licht dat op het cirkelvormige bovenoppervlak van de horizon viel, gelijkmatig herverdeeld.
- De geïsoleerde verdunde suspensie van algen uit een reuzenmossel werd op de wanden van de cilinder gebruikt om fotosynthese-bestralingsgedrag uit te voeren.
- Met deze opstelling kan de efficiëntie van hulpbronnen worden onderzocht door gebruik te maken van de parameter van de snelheid van O2-ontwikkeling per gebied, gedurende een dag.
Het evalueren van de prestaties van Eenvoudig Model
Hiervoor werd de prestatie van het cilindrische systeem vergeleken met een ander systeem, dat qua grootte vergelijkbaar was en hetzelfde aantal algencellen had. Het enige verschil was de rangschikking van algen door het hele volume.
Heb je gehoord dat melanine uit inkt van inktvissen potentie heeft als duurzame biomassabron?
Effecten van meervoudige verstrooiing Fenomeen gebruikt door mosselen
Om dit te onderzoeken, werd het eenvoudige analytische model vergeleken met een lichtverstrooiend numeriek model van een realistisch model. Dat model heeft discrete realistische celposities en het geometriesysteem dat te veel leek op het clamsysteem.
Ontdekte punten: Betere energie-efficiëntie met reuzenmosselen
Om een kwantumrendement van 70% te bereiken, kan de geometrie van een eenvoudig cilindersysteem worden gemoduleerd met de lichtintensiteit . Dit kan worden gedaan via de inflatie- en deflatiecycli van het mantelweefsel. Hierdoor zal de effectieve cilinderstraal uitzetten en krimpen met de lichtintensiteit. Op deze manier kan het systeem zonne-energie effectief oogsten.
Over reuzenmosselen
Het zijn symbiotische eencellige algen uit het dinoflagellatengeslacht Symbiodinium. De algen leven in het mantelweefsel en voeren fotosynthese uit, waarbij ze energie leveren aan de gastheer. De geleverde energie is in de vorm van kleine organische moleculen. Met zijn grote filterapparaat leveren reuzenschelpen stikstof en andere voedingsstoffen aan het systeem.
Eigenschappen van reuzenmosselen (eencellige algen)
- Ze kunnen in hoge dichtheden groeien in vloeibare cultuur.
- Veel soorten zetten het grootste deel van de door fotosynthese verkregen koolstof af in intracellulaire oliedruppels in plaats van in complexe extracellulaire polymeren.
- Hun efficiëntie is sterk afhankelijk van de intensiteit van het licht. Veel cellen ervaren een te hoge lichtdichtheid om efficiënt te zijn. Terwijl verschillende van hen een te lage lichtintensiteit ervaren om zeer productief te zijn.
- Ze leven in ondiepe koraalriffen in de Indo-Pacifische oceanen.
- Ze paaien vrij en hun larven ontwikkelen zich in de waterkolom en voeden zich met fytoplankton.
- Ze ontwikkelen zich tot kleine mosselen met fotosynthetische algen in hun mantelweefsel nadat ze algencellen hebben opgenomen.
- Naarmate ze groeien, vermenigvuldigen eencellige algen zich en ontwikkelen zich tot een reeks verticale, zuilvormige structuren.
- De diameter van deze algenkolommen bedraagt ongeveer 100 µm en de onderlinge afstand is 150 µm.
Hoe mosselen verlichten?
- Algen zijn zichtbaar in het weefsel van de mossel onder en rond hun mantelweefsel en oppervlakkige iridocyten, en zien er verzadigd zwart uit.
- Deze voorwaarts verstrooiende iridocyten worden transparant onder sterke gerichte laterale belichting.
- Vervolgens worden dicht opeengepakte microalgen in kolomvormige arrays zichtbaar.
- Deze matrix is zichtbaar in de mantelweefsels, wat leidt tot de verschijning van verzadigd zwart mantelweefsel onder verlichting van bovenaf.
De benadering van de clam zoals waargenomen in het experimentele model
Het opblazen en leeglopen van mantelweefsel is een belangrijk onderdeel van het gedrag van de mossel. Dit gedrag uit zich meestal in een terugdeinzende reactie op verstoring.
- In het licht, de mantel moet relatief leeglopen. De radiale afstand tussen de kolommen wordt hierdoor beïnvloed en het zal de lichtverdunningsfactor verhogen en de parameter verlagen.
- Bij weinig licht, om de effectieve radiale kolomafstand te vergroten, moet de mantel worden opgeblazen. Dit vermindert de lichtverdunning en verhoogt de parameter.
Het is interessant hoe de energiezuinige stromingsregeling van de zeespons inspiratie kan bieden voor energiezuinige ontwerpen.
Conclusie
Het numerieke model bracht het fenomeen van meervoudige verstrooiing in kolommen met willekeurig georganiseerde algen nauwkeurig in kaart. Dit toont een vergelijkbaar efficiëntieniveau als het eenvoudigere analytische model. Het laat zien dat er een mogelijke oplossing is om de efficiëntie van PV- systemen te verhogen , maar onderzoekers hebben nog een lange weg te gaan.
Alle eigenschappen van het modelsysteem lenen zich voor verdere ontwikkeling en modellering. De productiviteit van 60.000 liter brandstof per hectare per jaar van een groot systeem kan worden overtroffen als de fysieke principes ervan vergelijkbaar zijn met die van de reuzenschelp.
Onderzoekers concluderen dus dat reuzenmosselen zonne-energie efficiënter kunnen maken, en het experimentele model wordt beschouwd als een nuttig hulpmiddel. Het kan helpen bij het ontwerpen van toekomstige schema's voor efficiënte fotosynthetische biomassateelt. Het zal hoogstwaarschijnlijk toepasbaar zijn voor de productie van algenbiobrandstoffen. Ook kan het landgebruik minimaliseren voor duurzame biomassaoogst voor elk organisch PV- of willekeurig fotosynthetisch systeem.
