Гигантские моллюски могут подсказать, как сделать солнечную энергию эффективнее
Дизайнеры солнечных панелей и биорефинеров могут многому научиться у радужных гигантских моллюсков, обитающих рядом с тропическими коралловыми рифами, согласно новому исследованию под руководством Йельского университета.
Геометрия гигантских моллюсков — динамичные вертикальные колонны фотосинтезирующих рецепторов, покрытые тонким светорассеивающим слоем — может делать их самыми эффективными солнечными энергосистемами на Земле.
«Это контринтуитивно для многих, потому что моллюски живут при интенсивном солнечном свете, но внутри они на самом деле очень тёмные», — сказала Элисон Суини, доцент физики, экологии и эволюционной биологии. — «Правда в том, что моллюски эффективнее преобразуют солнечную энергию, чем любая существующая технология солнечных панелей».
В новом исследовании, опубликованном в журнале PRX Energy, команда под руководством Суини представляет аналитическую модель для определения максимальной эффективности фотосинтетических систем на основе геометрии, движения и светорассеивающих характеристик гигантских моллюсков.
Моллюски являются фотосимбионтами: на их поверхности растут вертикальные цилиндры одноклеточных водорослей. Водоросли поглощают солнечный свет после того, как он рассеивается слоем клеток — иридоцитов.
Важны как геометрия водорослей, так и рассеивание света иридоцитами. Расположение водорослей в вертикальных колоннах, параллельных падающему свету, позволяет им поглощать солнечный свет с максимальной эффективностью. Свет, отфильтрованный и рассеянный слоем иридоцитов, равномерно обволакивает каждый вертикальный цилиндр водорослей.
На основе геометрии моллюсков исследователи разработали модель для расчёта квантовой эффективности — способности преобразовывать фотоны в электроны. Учёные также учли колебания солнечного света в течение типичного тропического дня. Квантовая эффективность составила 42%.
Затем исследователи добавили новый фактор: способность моллюсков растягиваться в ответ на изменение освещённости. «Моллюски любят двигаться и "раскачиваться" в течение дня. Это растяжение раздвигает вертикальные колонны, фактически делая их короче и шире».
С учётом этой информации квантовая эффективность модели подскочила до 67%. Для сравнения, квантовая эффективность системы зелёного листа в тропической среде составляет всего около 14%.
Интригующее сравнение, согласно исследованию, — северные еловые леса. Бореальные ельники, окружённые колеблющимися слоями тумана и облаков, имеют схожую с моллюсками геометрию и механизмы рассеивания света, но в гораздо большем масштабе. Их квантовая эффективность почти идентична.
«Один из уроков здесь — насколько важно учитывать биоразнообразие в широком смысле», — сказала Суини. — «Мы продолжаем обсуждать, где ещё на Земле может происходить такой уровень солнечной эффективности».
Такие примеры могут предложить вдохновение и идеи для более эффективных технологий устойчивой энергетики.
«Можно представить себе новое поколение солнечных панелей, выращивающих водоросли, или недорогих пластиковых солнечных панелей из эластичного материала», — сказала Суини.