Nieuws

21 nov 16: Persbericht: KNAW: genome editing vraagt om publiek debat en heldere regelgeving
18 nov 16: Volkswagen schrapt 30.000 banen door dieselschandaal en transitie naar elektrische auto
16 nov 16: 100.000e elektrische auto rijdt op de Nederlandse weg (AD)
10 nov 16: Is Erik Verlinde de nieuwe Einstein? Sterrenkundige Margot Brouwers resultaten wijzen er op dat Verlindes theorie klopt!
8 nov 16: Nederlander Erik Verlinde komt met baanbrekende theorie over zwaartekracht
8 nov 16: Chimpansees winden draderige algen als spaghetti om een stokje nrc
6 nov 16: The Origami Code. NPO 2 Zondag 6 nov 2016 19:15. Kijk de aflevering hier terug. Is zeer de moeite waard!

*) zie hier. [ Archief Actualiteiten ]

06 juli 2011

Bas Haring over de inefficiëntie van fotosynthese (2)

In mijn vorige blog betoogde ik dat Bas Haring appels met peren aan het vergelijken was toen hij de efficiëntie van fotosynthese met die van zonnecellen vergeleek. De enige overeenkomst tussen beide is dat ze iets doen met licht. Het belangrijkste verschil is dat planten koolstofverbindingen en zuurstof produceren, terwijl zonnecellen electriciteit produceren. Het grootste probleem met de vergelijking is dat Bas Haring fotosynthese met een technologisch-economische maatstaf meet.

theoretisch maximum
Een belangrijk begrip ontbrak in mijn vorige post: de theoretisch maximum effciëntie van fotosynthese. Dit theoretisch maximum wordt bepaald door fysiche natuurwetten. Daardoor is de maximaal haalbare efficiëntie altijd lager dan 100%. Het maximum haalbare is op verschillende manieren te berekenen. Ik geef de gegevens uit bron (1) in een tabel:

C3 plantenC4 planten
limiet4,6% (= 100%)  6%  (=100%) 
veld3,5% (= 76%)4,3% (=71%)
seizoen2,4% (= 52%)3,4% (=56%)

Als we het theoretisch maximum op 100% stellen, halen planten op korte termijn een fotosynthetische efficiëntie van 76% en 71% van het theoretisch maximum en over het hele seizoen 52% en 56% van het theoretisch maximum. Dat is dus helemaal niet slecht. Het is immers niet zinnig om 100% energie efficiëntie als maatstaf te nemen als dat fysisch helemaal niet kan. Evolutie (mutatie en selectie) kan nooit hoger komen dan wat de fysische wetten aan beperking opleggen. Een olifant kan niet vliegen. Dat ligt niet aan evolutie, maar aan de wetten van de fysica.

definitie
Er zijn andere definities van theoretisch maximum efficiëntie. Bron (2) vergelijkt de energie inhoud van de gebruikte fotonen met de energie inhoud van de geproduceerde koolstofverbinding en komt tot een theoretisch maximum van 27%. De aannames zijn: (1) alle fotonen worden geabsorbeerd door het blad, (2) ieder foton dat geabsorbeerd is wordt gebruikt voor fotosynthetische reactie, (3) de plant gebruikt alle energie voor het opbouwen van biomassa en geen energie om zichzelf in stand te houden. Dit is natuurlijk in de praktijk onrealistisch. Als je met realistische omstandigheden rekening houdt kom je op een efficiëntie van 10% volgens deze bron.

eerlijk
Natuurlijk, als je zonnecellen en fotosynthese op een eerlijke manier wilt vergelijken moet je óók de efficiëntie van zonnecellen als percentage van het maximaal haalbare uitdrukken. Dat is duidelijk. Mijn punt hier is dat een vergelijking met de theoretische limiet veel zinniger is dan de 1% efficiëntie van Bas Haring die hij met niets zinnigs vergelijkt. Er is een groot verschil met zonnecellen. Bij zonnecellen wordt bijvoorbeeld géén energie verbruikt om de zonnecel in stand te houden. De zin en onzin van vergelijkingen hangt af van de definitie van theoretisch maximum en hoe de efficiëntie in de praktijk gedefinieerd wordt.

evolutie
In de evolutietheorie telt reproductief succes: het aantal nakomelingen dat een individu produceert. Fotosynthese, en zelfs groeisnelheid, is maar één factor in het geheel. Fotosynthese is wel een belangrijke factor in de plantenwereld. Maar er zijn duizenden andere factoren die reproductief succes mede bepalen. Evolutionair gezien heb je niets aan fotosynthese als je je niet voortplant. Je mag dus niet verwachten dat fotosynthese gemaximaliseerd is.

bronnen:
  1. IDENTIFYING AND MANIPULATING DETERMINANTS OF PHOTOSYNTHATE PRODUCTION AND PARTITIONING, United States Department of Agriculture (USDA), April 1, 2011 
  2. Krassen Dimitrov (2007) GreenFuel Technologies: A Case Study for Industrial Photosynthetic Energy Capture. 

5 opmerkingen:

Anoniem zei

ter aanvulling
Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems, Gregory S. Engel, Tessa R. Calhoun, Elizabeth L. Read, Tae-Kyu Ahn, Tomás Mancal, Yuan-Chung Cheng, Robert E. Blankenship & Graham R. Fleming. NATURE 446 (7137): 782-786 APR 12 2007.
of zie: http://www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/PBD-quantum-secrets.html

gert korthof zei

Dank onbekende voor deze referentie!
Citaat: "This wavelike characteristic of the energy transfer within the photosynthetic complex can explain its extreme efficiency, in that it allows the complexes to sample vast areas of phase space to find the most efficient path.".

extreme efficiency! dit moet ik uitzoeken!

Anoniem zei

ja bas haring kent zijn literatuur niet. Fotosynthese is quantumcoherence en daarom 99.99999 % efficient. Dat is natuurkunde, geen biologie. Dat er zoveel fotonen worden verspild is geen probleem: in een half uur komen er genoeg op aarde om de hele wereld een jaar van energie te kunnen voorzien.

gert korthof zei

Onbekende: aan de ene kant: 99,99% efficientie, aan de andere kant 'zoveel verspilling van fotonen'. Is dit niet een beetje tegenstrijdig?

Anoniem zei

nee, even kort door de bocht: alleen fotonen die 'ópgevangen' worden, worden optimaal omgezet zoals Fleming cs aantoonden. Maar de meeste fotonen worden niet opgevangen en gaan verloren als warmte of hitte. Dat is ook het probleem met die zonnecellen. Overigens zijn er dankzij diezelfde quantummechanica mogelijkheden om de efficientie daarvan wel 50% te verhogen, heb ik me laten vertellen:
Kimberly A. Sablon, et al. “Strong Enhancement of Solar Cell Efficiency Due to Quantum Dots with Built-In Charge.” Nano Letters, Article ASAP. DOI: 10.1021/nl200543v ..

Ik ben geen quantummechanicus, maar de groep van Fleming doet buitengewoon belangrijk onderzoek- en is ten onrecte te weinig bekend in dit land. Het feit dat een vreemd quantumverschijnsel als coherentie 'gewoon in de natuur' voorkomt, ondanks allerlei storende invloeden, is misschien wel het meest spectaculaire resultaat.