Małże żyją 100 lat lub dłużej, a ich jaskrawe kolory są wynikiem życia glonów w ich ciałach. Interesujące! Te niesamowite stworzenia są pełne unikalnych cech, a dodanie ich nastąpiło wraz z niedawnym eksperymentem. Naukowcy odkryli, że olbrzymie małże mogą sprawić, że energia słoneczna będzie bardziej wydajna.
Fotosymbiotyczne małże olbrzymie mają pionowe kolumny jednokomórkowych glonów, które pochłaniają światło słoneczne. Posiadają komórki rozpraszające światło do przodu, zwane irydocytami. Zainspirowani geometrią obserwowaną u małży, naukowcy stworzyli model analityczny. Pozwala on obliczyć wydajność systemu na podstawie układu o geometrii podobnej do małży.
Najważniejsze: Olbrzymie małże mogą sprawić, że energia słoneczna stanie się bardziej efektywna Eksperyment
- W intensywnym tropikalnym słońcu, wydajność kwantowa małży może osiągnąć nawet 43% w stosunku do zasobów słonecznych.
- Małże wykorzystują strategię rozcieńczania światła o ustalonej geometrii.
- Możliwe, że geometria transformatora słonecznego małża może być użyteczna w konwersji energii słonecznej.
- Naukowcy próbują zrozumieć związek między ewolucyjną strukturą tkanki małży a optymalizacją efektywności wykorzystania zasobów słonecznych, posługując się prostym modelem fizycznym.
- 67% efektywności wykorzystania światła fotosyntetycznego w naturalnym świetle tropikalnym, uzyskano dzięki modelowi systemu.
Naukowcy badali wydajność fotosyntezy złożonego systemu biologicznego. Obejmuje on symbiotyczne małże olbrzymie, które w swoich tkankach żywią się jednokomórkowymi glonami. Prosty model transformatora słonecznego został przygotowany na tej samej logice, co te małże.
Model ten osiągnął około 67% efektywności wykorzystania światła fotosyntetycznego w warunkach naturalnego światła tropikalnego. Możliwe, że żywe małże mogą przekroczyć tę efektywność, zgodnie z dodatkowymi mechanizmami wyjaśnionymi przez naukowców. Dzięki temu możliwe jest zaprojektowanie zrównoważonego systemu biomasy z intensywnym naturalnym światłem słonecznym w celu wytwarzania energii odnawialnej.
Uprawa alg jednokomórkowych
Współczesna gospodarka opiera się na produktach fotosyntetycznych gromadzonych w czasie geologicznym. Aby zbierać duże ilości niekopalnych paliw płynnych i surowców chemicznych na skalę przemysłową, uprawia się jednokomórkowe algi.
Dotyczy efektywnej konwersji energii słonecznej
Ogólnie rzecz biorąc, wydajność biologicznej fotosyntezy wzrasta wraz ze zmniejszającym się strumieniem. Możliwe, że geometria transformatora słonecznego małża może być użyteczna do konwersji energii słonecznej.
Oświetlenie małży i jego zastosowanie w świecie rzeczywistym
Wewnętrzne sztuczne oświetlenie może prowadzić do większej wydajności na ogniwo i system. Jednak prowadzi to do wysokich rachunków za prąd w porównaniu do korzystania ze światła słonecznego otoczenia jako źródła energii.
O eksperymencie
Demonstracja opiera się również na ponownej analizie danych eksperymentalnych z artykułu z 1985 roku. Pomaga ona wykazać, że duże małże przeprowadzają fotosyntezę w tempie niemal idealnym w początkowym etapie wydzielania tlenu w procesie fotosyntezy.
Aby wyjaśnić bezprecedensową wydajność osiągniętą przez te małże, opracowano prosty model fizyczny rozpraszania światła i fotokonwersji.
Cel eksperymentu
Naukowcy chcą zrozumieć prawdopodobieństwo zwiększenia efektywności wykorzystania zasobów fotosyntezy na dużą skalę w projektowaniu transformatorów słonecznych . W związku z tym opracowali proste ramy badawcze. Aby zbadać, jak efektywny pod względem wykorzystania światła może być system obejmujący cały obszar do uprawy glonów w świetle słonecznym, wzięto pod uwagę małże olbrzymie (rodzaj Tridacna ).
Eksperyment:Jak małże mogą poprawić efektywność odnawialnych źródeł energii
Układ małży przedstawiono jako pionowo zorientowany cylinder.
- Wzdłuż wewnętrznej pionowej ściany światło padające na górną, okrągłą powierzchnię horyzontu ulegało równomiernemu rozłożeniu.
- Do przeprowadzenia eksperymentu polegającego na badaniu reakcji fotosyntezy i natężenia promieniowania na ściankach cylindra zastosowano wyizolowaną, rozcieńczoną zawiesinę glonów z olbrzymiej małży.
- Taka konfiguracja pozwala na zbadanie efektywności wykorzystania zasobów poprzez zastosowanie parametru szybkości wydzielania O2 na danym obszarze w ciągu dnia.
Ocena wydajności prostego modelu
W tym celu porównano wydajność systemu cylindrycznego z innym systemem, który był podobny pod względem wielkości i tej samej liczby komórek glonów. Jedyną różnicą był układ glonów w całej objętości.
Czy słyszałeś, że melanina z atramentu mątwy ma potencjał jako zrównoważone źródło biomasy?
Efekty wielokrotnego rozpraszania Zjawisko wykorzystywane przez małże
Aby to zbadać, prosty model analityczny porównano z rozpraszającym światło numerycznym modelem realistycznego modelu. Model ten ma dyskretne realistyczne pozycje komórek i układ geometryczny, który był zbyt podobny do układu małży.
Odkryte punkty: Lepsza efektywność energetyczna dzięki olbrzymim małżom
Aby osiągnąć 70% wydajność kwantową, geometrię układu o prostym cylindrze można modulować natężeniem światła . Można to osiągnąć poprzez cykle nadmuchiwania i opróżniania płaszcza. To z kolei powoduje rozszerzanie i kurczenie się efektywnego promienia cylindra wraz ze wzrostem natężenia światła. Dzięki temu układ może efektywnie pozyskiwać energię słoneczną.
O olbrzymich małżach
Są to symbiotyczne, jednokomórkowe glony z rodzaju bruzdnic Symbiodinium. Glony żyjące w płaszczu przeprowadzają fotosyntezę, dostarczając gospodarzowi energię. Dostarczana energia ma postać małych cząsteczek organicznych. Dzięki rozbudowanemu aparatowi filtrującemu, małże olbrzymie dostarczają organizmowi azot i inne składniki odżywcze.
Właściwości olbrzymich małży (glonów jednokomórkowych)
- Mogą rosnąć w dużym zagęszczeniu w kulturze płynnej.
- Wiele gatunków chętnie odkłada większość powstałego w wyniku fotosyntezy węgla w wewnątrzkomórkowych kroplach oleju, a nie w złożonych polimerach zewnątrzkomórkowych.
- Ich wydajność jest silnie zależna od intensywności światła. Wiele komórek doświadcza zbyt dużej gęstości światła, aby być wydajnymi. Podczas gdy kilka z nich doświadcza zbyt małej intensywności światła, aby być wysoce produktywnymi.
- Żyją w płytkich środowiskach raf koralowych w całym Oceanie Indyjskim i Pacyfiku.
- Rozmnażają się swobodnie, a ich larwy rozwijają się w toni wodnej i żywią się fitoplanktonem.
- Po spożyciu komórek glonów rozwijają się w małe małże, w których tkance płaszcza znajdują się fotosyntetyczne glony.
- W miarę wzrostu jednokomórkowe glony rozmnażają się i rozwijają w szereg pionowych, kolumnowych struktur.
- Średnica tych kolumn glonów wynosi około 100 µm, a odległość między nimi wynosi 150 µm.
Jak małże się rozświetlają?
- Glony są widoczne w tkance małży pod i wokół tkanek płaszcza oraz powierzchniowych irydocytów, mają one nasycony, czarny kolor.
- Te rozpraszające światło do przodu irydocyty stają się przezroczyste pod wpływem silnego, kierunkowego oświetlenia bocznego.
- Następnie odsłania gęsto upakowane mikroalgi w układzie kolumnowym.
- Ten układ jest widoczny w tkankach płaszcza, co powoduje, że przy górnym oświetleniu tkanka płaszcza jawi się jako nasycona, czarna.
Podejście małży zaobserwowane w modelu eksperymentalnym
Rozrost i deflacja tkanki płaszcza stanowią istotną część zachowania małży, którą najczęściej obserwuje się jako reakcję drgnięcia na zaburzenie.
- W świetle dziennym, płaszcz powinien być relatywnie opróżniony. Będzie to miało wpływ na odstępy promieniowe między kolumnami, co zwiększy współczynnik rozcieńczenia światła i zmniejszy parametr.
- W słabym świetle, aby zwiększyć efektywny odstęp między kolumnami radialnymi, płaszcz powinien zostać nadmuchany. Zmniejsza to rozcieńczenie światła i zwiększa parametr.
Ciekawe jest to, że sterowanie przepływem gąbki morskiej przy zerowym zużyciu energii może być inspiracją dla energooszczędnych projektów.
Wniosek
Model numeryczny dokładnie uchwycił zjawisko wielokrotnego rozpraszania w kolumnach z losowo zorganizowanymi glonami. To pokazuje porównywalny poziom wydajności do prostszego modelu analitycznego. Pokazuje to, że istnieje możliwe rozwiązanie umożliwiające zwiększenie wydajności systemów fotowoltaicznych , ale badacze muszą pokonać długą drogę.
Wszystkie cechy oferowane przez system modelowy nadają się do dalszej inżynierii i modelowania. Wydajność dużego systemu, wynosząca 60 000 l paliwa na hektar rocznie, może zostać przekroczona, jeśli jego zasady fizyczne będą zbliżone do działania małży olbrzymiej.
W ten sposób badacze doszli do wniosku, że olbrzymie małże mogą zwiększyć wydajność energii słonecznej, a model eksperymentalny jest uważany za przydatne narzędzie. Może pomóc w projektowaniu przyszłych schematów wydajnej uprawy biomasy fotosyntetycznej. Najprawdopodobniej będzie on miał zastosowanie do produkcji biopaliw algowych. Ponadto może zminimalizować użytkowanie gruntów w celu zrównoważonego zbioru biomasy dla dowolnego organicznego PV lub dowolnego systemu fotosyntetycznego.
