Eficiència fotosintética
La eficiència fotosintética és la fracció d'energia lluminosa convertida en energia química durant la fotosíntesis en plantes verdes i algues. La fotosíntesis es pot descriure per mig de la reacció química simplificada
- 6 H2O + 6 CO 2 + energia → C6H12O6 + 6 O2
a on C6H12O6 és glucosa (que posteriorment es transforma en uns atres sucres, celulosa, lignina, etc.). El valor de l'eficiència fotosintética depén de cóm es definixca l'energia de la llum; depén de si contem solament la llum que s'absorbix i de quin tipo de llum s'utilisa (vore Radiació fotosintéticamente activa). Es necessiten huit (o potser dèu o més[1]) fotons utilisar una molècula de CO2. l'energia lliure de Gibbs per a convertir un mol de CO2 en glucosa és de 114 kcal, mentres que huit moles de fotons de llongitut d'ona de 600 nm contenen 381 kcal, lo que dona una eficiència nominal del 30%.[2] No obstant, la fotosíntesis pot ocórrer en llum fins a una llongitut d'ona de 720 nm sempre que també hi haja llum en llongituts d'ona inferiors a 680 nm per a mantindre el Fotosistema II en funcionament (vore Clorofila). L'us de llongituts d'ona més llargues significa que es necessita menys energia lluminosa per a la mateixa cantitat de fotons i, per lo tant, per a la mateixa cantitat de fotosíntesis. Per a la llum solar real, a on solament el 45% de la llum està en el ranc de llongitut d'ona fotosintéticamente activa, l'eficiència màxima teòrica de conversió d'energia solar és aproximadament del 11%. En realitat, no obstant, les plantes no absorbixen tota la llum solar entrante (per la reflexió, els requisits de respiració de la fotosíntesis i la necessitat de nivells òptims de radiació solar) i no convertixen tota l'energia recolectada en biomassa, lo que dona com resultat una eficiència fotosintética general màxima de 3 al 6% de la radiació solar total. Si la fotosíntesis és ineficaç, es deu dissipar l'excés d'energia lluminosa per a evitar danyar l'aparat fotosintético. L'energia es pot dissipar com a calor (extinció no fotoquímica) o emetre's com fluorescència de clorofila.
Eficiència típiques
[editar | editar còdic]Plantes
[editar | editar còdic]Valors cotisats eficiència de llum solar a biomassa
| Planta | Eficiència |
|---|---|
| Plantes, típic | > 0,1%[3] 0,2-2%[4]
<1%[5] |
| Plantes de cultiu típiques | 1-2% |
| Plantes C3, pico | 3,5% |
| Plantes C4, pico | 4,3% |
El següent és un desglossament de l'energia del procés de fotosíntesis:[6]
Començant en l'espectre solar caent sobre un full,
- 47% perdut per fotons fòra dels 400–700 ranc actiu nm (la clorofila utilisa fotons entre 400 i 700 nm, extraent l'energia d'un 700 fotó nm de cada u)
- El 30% dels fotons en banda es perden per una absorció incompleta o als fotons que colpegen components distints dels cloroplastos
- El 24% de l'energia dels fotons absorbits es pert per la degradació dels fotons de llongitut d'ona curta a 700 nm
- El 68% de l'energia utilisada es pert en la conversió en d-glucosa
- 35-45% de la glucosa és consumida pel full en els processos d'obscuritat i foto respiració.
Dit d'una atra manera:
- 100% llum solar → el desperdici de fotons no biodisponibles és del 47%, deixant
- 53% (en el ranc de 400-700 nm) → El 30% dels fotons es perden per una absorció incompleta, deixant
- 37% (energia fotònica absorbida) → 24% es pert per la degradació per desajust de llongitut d'ona a 700 nm, deixant
- 28.2% (energia de la llum solar recolectada per la clorofila) → 68% es pert en la conversió de ATP i NADPH en d-glucosa, deixant
- 9% (recolectat com a sucre) → 35–40% del sucre és reciclat/consumit pel full en obscuritat i foto-respiració, deixant
Eficiència foliar neta del 5,4%.
Moltes plantes perden gran part de l'energia restant en les raïls en creiximent. La majoria de les plantes de cultiu almagasenen 0.25% a 0.5% de la llum solar en el producte (grans de dacsa, almidó de papa, etc.).
La fotosíntesis aumenta linealment en l'intensitat de la llum a baixa intensitat, pero a major intensitat este ya no és el cas (Curva de fotosíntesis-irradiancia). Per damunt d'uns 10.000 lux o 100 vats/metro quadrat, la velocitat ya no aumenta. Per lo tant, la majoria de les plantes solament poden utilisar 10% de l'intensitat total de la llum solar del migdia.[6] Açò reduïx dràsticament l'eficiència fotosintética promig alcançada en els camps en comparació als resultats màxims de laboratori. No obstant, les plantes reals (a diferència de les mostres de prova de laboratori) tenen molts fulls redundantes orientades a l'encert. Açò ajuda a mantindre l'allumenament promig de cada full molt per baix del pico del migdia, lo que permet que la planta conseguixca un resultat més propenc als resultats esperats de les proves de laboratori utilisant un allumenament llimitat.
Solament si l'intensitat de la llum està per damunt d'un valor específic de la planta, cridat punt de compensació, la planta assimila més carbono i llibera més oxigen per fotosíntesis del que consumix per respiració celular per a la seua pròpia demanda d'energia actual.Els sistemes de medició de fotosíntesis no estan dissenyats per a medir directament la cantitat de llum absorbida pel full. No obstant, les curves de resposta a la llum que produïx la classe permeten comparacions en l'eficiència fotosintética entre plantes.
Algues i atres organismes monocelulares
[editar | editar còdic]Segons un estudi de 2010 de l'Universitat de Maryland, s'ha demostrat que les cianobacterias fotosintetizadoras són una espècie important en el cicle global del carbono, que representen del 20 al 30% de la productivitat fotosintética de la Terra i convertixen l'energia solar en energia química almagasenada en biomassa a un ritme de 450 TW.[7] Alguns pigments com la B-ficoeritrina que es troben principalment en algues roges i cianobacterias tenen una eficiència de captació de llum molt major en comparació a la d'atres plantes (98 per cent d'eficiència per a pigments d'algues roges en comparació a sol 12 per cent en plantes). Estos organismes són potencialment candidats per a la tecnologia de biomimetismo per a millorar el disseny de panels solars.[8]
Eficiència de varis cultius de biocombustibles
[editar | editar còdic]Les opcions populars per als biocombustibles vegetals inclouen: palma d'oli, soja, oli de ricino, oli de girasol, oli de cártamo, etanol de dacsa i etanol de canya de sucre.
Un anàlisis d'una plantació de palma setrill hawaiana proposta que s'afirmava produir 600 galons de biodiésel per acre per any. Això equival a 2835 vats per acre o 0,7 W/m2.[9] l'insolación típica en Hawái és d'al voltant de 5,5 kWh/(m2 dia) o 230 W/m2.[10] Per a esta plantació de palma setrill en particular, si entregara els 600 galons de biodiésel per acre per any que es reclamen, estaria convertint el 0.3% de l'energia solar incident en combustible químic. L'eficiència fotosintética total inclouria més que solament l'oli de biodiésel, per lo que este número de 0.3% és alguna cosa aixina com un llímit inferior.
Compare açò en una instalació fotovoltaica[11] que produiria un promig d'aproximadament 22 W/m 2 (aproximadament el 10% de la insolació promig), durant tot l'any. Ademés, els panels fotovoltaics produirien electricitat, que és una forma d'energia d'alta calitat, mentres que la conversió del biodiésel en energia mecànica implica la pèrdua d'una gran part de l'energia. Per un atre costat, un combustible líquit és molt més convenient per a un vehícul que l'electricitat, que deu almagasenar-se en bateries pesades i costoses.
La majoria de les plantes de cultiu almagasenen 0.25% a 0.5% de la llum solar en el producte (grans de dacsa, almidó de papa, etc.), la canya de sucre és excepcional en vàries formes per a produir eficiència màximes d'almagasenament de 8%.
El combustible d'etanol en Brasil té un càlcul que dona com a resultat: “Per hectàrea per any, la biomassa produïda correspon a 0,27 TJ. Açò equival a 0,86 W/m2. Suponent una insolació promig de 225 W/m2, l'eficiència fotosintética de la canya de sucre és de 0.38%". La sacarosa representa poc més del 30% de l'energia química almagasenada en la planta madura; El 35% està en les fulls i puntes dels tallos, que queden en el camp durant la collita, i el 35% està en el material fibroso (bagazo) sobrant del prensage.
Referències
[editar | editar còdic]- ↑ Renewable biological systems for unsustainable energy production. FAO Agricultural Services Bulletins (1997).
- ↑ Stryer, Lubert (1981). Biochemistry, 2nd edició, p. 448. ISBN 978-0-7167-1226-8.
- ↑ Govindjee, What is photosynthesis?
- ↑ The Green Solar Collector; converting sunlight into algal biomass Wageningen University project (2005—2008)
- ↑ Science.332(6031)
- 805–809.ISSN 0036-8075.doi:10.1126/science.1200165.
- ↑ 6,0 6,1 David Oakley Hall; K. K. Rao, {{{nom2}}}; Institute of Biology, {{{nom3}}} (1999). Photosynthesis, Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-64497-6.
- ↑ (2010).PLOS ONE.5(5)
- i10821.doi:10.1371/journal.posa.0010821.
- ↑ «Ingenious ‘control panel’ in algae provides blueprint for super-efficient future solar cells - News - Universiteit Utrecht» (en en). www.uu.nl. Consultat el 2021-05-10.
- ↑ Biodiesel Fuel. Ag.ndsu.edu.. Retrieved on 2011-11-03.
- ↑ PVWATTS: Hawaii [1] archivat en Wayback Machine.. Rredc.nrel.gov. Retrieved on 2011-11-03.
- ↑ NREL: In My Backyard (IMBY) Home Page. Nrel.gov (2010-12-23). Retrieved on 2011-11-03.
- Este artícul conté una traducció derivada de «Eficiencia fotosintética» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.