Naukowcy z Yale zidentyfikowali małże olbrzymie z ich unikalnymi strukturami fotosyntetycznymi i zdolnościami rozpraszania światła jako potencjalny model poprawy wydajności paneli słonecznych. Te małże, które rozwijają się w intensywnym świetle słonecznym tropikalnych raf koralowych, mają wydajność kwantową znacznie przewyższającą obecne technologie słoneczne. Badanie podkreśla znaczenie różnorodności biologicznej w inspirowaniu zrównoważonych technologii i sugeruje, że przyszłe panele słoneczne mogą wykorzystywać podobne mechanizmy biologiczne. Źródło: SciTechDaily.com
Niedawne badanie przeprowadzone przez badaczkę z Yale, Alison Sweeney, sugeruje, że małże olbrzymie na zachodnim Pacyfiku mogą być najbardziej wydajnym systemem energii słonecznej na świecie.
Według nowego badania prowadzonego przez Yale projektanci paneli słonecznych i biorafinerii mogli uzyskać cenne informacje na podstawie opalizujących gigantycznych małży występujących w pobliżu tropikalnych raf koralowych.
Dzieje się tak dlatego, że małże olbrzymie mają precyzyjną geometrię – dynamiczne, pionowe kolumny receptorów fotosyntetycznych pokryte cienką warstwą rozpraszającą światło – co może czynić je najbardziej wydajnymi systemami energii słonecznej na Ziemi.
„Dla wielu ludzi jest to sprzeczne z intuicją, ponieważ małże działają w intensywnym świetle słonecznym, ale w rzeczywistości są naprawdę ciemne w środku” – powiedziała Alison Sweeney, profesor nadzwyczajny fizyki, ekologii i biologii ewolucyjnej na Wydziale Sztuki i Sztuki Yale. Nauki. „Prawda jest taka, że małże przetwarzają energię słoneczną skuteczniej niż jakakolwiek istniejąca technologia paneli słonecznych”.
W nowym badaniu opublikowanym w czasopiśmie PRX: Energiazespół badawczy kierowany przez Sweeneya przedstawia model analityczny umożliwiający określenie maksymalnej wydajności systemów fotosyntetycznych w oparciu o geometrię, ruch i charakterystykę rozpraszania światła przez małże olbrzymie. Jest to najnowsze z serii badań przeprowadzonych w laboratorium Sweeneya, które podkreślają mechanizmy biologiczne ze świata przyrody, które mogą zainspirować nowe, zrównoważone materiały i projekty.
Potencjał słoneczny gigantycznych małży
W tym przypadku badacze przyjrzeli się szczególnie imponującemu potencjałowi energii słonecznej opalizujących małży olbrzymich w płytkich wodach Palau na zachodnim Pacyfiku.
Małże są fotosymbiotyczne, a na ich powierzchni rosną pionowe cylindry jednokomórkowych glonów. Glony pochłaniają światło słoneczne — po jego rozproszeniu przez warstwę komórek zwaną irydocytami.
Naukowcy twierdzą, że zarówno geometria glonów, jak i rozpraszanie światła przez irydocyty są istotne. Ułożenie glonów w pionowych kolumnach – co sprawia, że są one równoległe do wpadającego światła – umożliwia glonom absorpcję światła słonecznego w najbardziej efektywny sposób. Dzieje się tak, ponieważ światło słoneczne zostało przefiltrowane i rozproszone przez warstwę irydocytów, a następnie światło owija się równomiernie wokół każdego pionowego cylindra glonów.
Kredyt: Uniwersytet Yale Biuro Spraw Publicznych i Komunikacji Yale
Zachowania adaptacyjne zwiększają wydajność
W oparciu o geometrię gigantycznych małży Sweeney i jej współpracownicy opracowali model obliczania wydajności kwantowej – zdolności do przekształcania fotonów w elektrony. Naukowcy uwzględnili także wahania światła słonecznego, opierając się na typowym dniu w tropikach ze wschodem słońca, intensywnością słońca w południe i zachodem słońca. Wydajność kwantowa wyniosła 42%.
Ale potem badacze dodali nową zmarszczkę: sposób, w jaki gigantyczne małże rozciągają się w reakcji na zmiany światła słonecznego. „Małże lubią się poruszać i bawić przez cały dzień” – powiedział Sweeney. „To rozciąganie powoduje dalsze oddalanie pionowych kolumn, skutecznie czyniąc je krótszymi i szerszymi”.
Dzięki tym nowym informacjom wydajność kwantowa modelu małży wzrosła do 67%. Dla porównania, stwierdził Sweeney, wydajność kwantowa systemu zielonych liści w środowisku tropikalnym wynosi tylko około 14%.
Według badania intrygujące porównanie stanowią północne lasy świerkowe. Naukowcy stwierdzili, że borealne lasy świerkowe, otoczone zmiennymi warstwami mgły i chmur, mają podobną geometrię i mechanizmy rozpraszania światła jak małże olbrzymie, ale na znacznie większą skalę. A ich wydajność kwantowa jest prawie identyczna.
„Jedną z lekcji płynących z tego jest to, jak ważne jest uwzględnienie różnorodności biologicznej w szerokim zakresie” – powiedział Sweeney. „Moi koledzy i ja kontynuujemy burzę mózgów na temat tego, gdzie jeszcze na Ziemi mógłby wystąpić taki poziom wydajności słonecznej. Należy również pamiętać, że różnorodność biologiczną możemy badać jedynie w miejscach, w których jest ona zachowana”.
Dodała: „Mamy ogromny dług wobec mieszkańców Palau, którzy przywiązują ogromną wagę kulturową do swoich małży i raf oraz pracują nad utrzymaniem ich w nieskazitelnym zdrowiu”.
Takie przykłady mogą stanowić inspirację i spostrzeżenia dotyczące bardziej wydajnej technologii zrównoważonej energii.
„Można wyobrazić sobie nową generację paneli słonecznych, na których rosną algi, lub niedrogie plastikowe panele słoneczne wykonane z rozciągliwego materiału” – powiedział Sweeney.
Odniesienie: „Prosty mechanizm optymalnej efektywności wykorzystania światła w fotosyntezie inspirowany gigantycznymi małżami”, Amanda L. Holt, Lincoln F. Rehm i Alison M. Sweeney, 28 czerwca 2024 r., Energia PRX.
DOI: 10.1103/PRXEnergy.3.023014
Pierwszą autorką badania jest Amanda Holt, pracownik naukowy w laboratorium Sweeneya. Współautorem badania jest Lincoln Rehm, Amerykanin pochodzenia Palau, były absolwent Uniwersytetu Drexel i badacz w Międzynarodowym Centrum Raf Koralowych w Palau, obecnie zatrudnionym w Narodowej Administracji Oceanografii i Atmosfery.
Badania zostały sfinansowane przez stypendium Packard Foundation i National Science Foundation.
