معلومة

كيف تخزن النباتات الطاقة بواسطة بطارية البوتاسيوم؟

كيف تخزن النباتات الطاقة بواسطة بطارية البوتاسيوم؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

تحتوي النباتات على ما يسمى بنظام بطارية البوتاسيوم لتخزين الطاقة / المحادثة. ويكيبيديا لديها إشارة فقط لمقالة فنية. هل يمكن لأي شخص أن يشرحها بلغة الشخص العادي (أو الرجوع إلى مقال غير تقني)؟


سأعطيها محاولة من الشخص العادي في نوع من نهج "ELI5". آمل ألا يكون التشبيه في غاية التبسيط ، ورجاءًا لا تأخذ الأمر بالمعنى الحرفي للكلمة.

كيف تستخدم النباتات K.+?

مراقبة النباتات ك+ التركيزات والقيام بالعمل داخل المصنع عن طريق ضخ K.+ بين الأجزاء المختلفة. نظرًا لأن الماء يميل إلى اتباع تركيزات الذائبة (التناضح) ، يمكن للنباتات القيام بأشياء مثل امتصاص الماء ببساطة عن طريق تحريك البوتاسيوم.

(ملاحظة: الخلايا الحيوانية تفعل شيئًا مشابهًا: هذه هي الطريقة التي يؤدي بها الجهاز العصبي والكلى والجهاز الهضمي والخلايا / الأعضاء الأخرى وظائفها ، ولكن باستخدام أيونات مختلفة أو مجموعات من الأيونات)

تشبيهًا ببعض الأنشطة البشرية

تتحرك كل هذا K.+ يستهلك الكثير من الطاقة. إن إنشاء تدرج تركيز يشبه إلى حد كبير ضخ المياه صعودًا: تضع بعض الطاقة فيها ، لكنك تخزن تلك الطاقة على أنها الطاقة الكامنة للمياه المتدفقة عكسيًا إلى أسفل ، أو تتدفق الأيونات عكسيًا عكس تدرج تركيزها (أو تدفق الماء في الاتجاه الآخر). لكن في العادة ، تستخدم النباتات هذا كوسيلة تنفق الطاقة للقيام بأشياء مفيدة، وليس وسيلة لتخزينه. يبدو الأمر كما لو أنهم يضخون الماء إلى أعلى التل ثم يطفون خامات مفيدة أو خشبًا على متن قارب أثناء تدفقه إلى أسفل التل.

ما يحدث بالفعل والذي تصفه ويكيبيديا بأنه نبات "K.+ البطارية"

المقال الذي تم الاستشهاد به في ويكيبيديا ، مع ذلك ، يوضح Gajdanowicz et al 2011 أن النباتات في بعض الأحيان تستفيد من تنقل أيونات البوتاسيوم إلى مساعدة H.+ ATPase هذا شكل آخر من أشكال تخزين الطاقة. تستخدم النباتات ح+ (بروتون) تدرجات التركيز بشكل مشابه لكيفية استخدامهم K.+ تدرجات التركيز ، ولكنها تُستخدم لتشغيل عمليات مختلفة في المصنع. نوع من مثل نوعين مختلفين من البطاريات.

ارجع إلى القياس ، ولماذا يكون هذا مفيدًا للمصنع

عادة كلا من H+ التدرجات و K.+ يتم تشغيل التدرجات بواسطة ATP ، والذي يتم إنتاجه بشكل غير مباشر عن طريق التمثيل الضوئي: فكر في الأمر مثل محطة توليد الطاقة التي تعمل بالفحم في المحطة. تحويل K.+ تدرجات التركيز إلى H.+ تدرجات التركيز تشبه استخدام المياه التي تضخها لأعلى التل لتشغيل محطة كهرومائية تشحن بطارية سيارة. فائدة هذا النبات ، لأن K.+ يمكن تحريكها بسهولة ، فالمحطة قادرة على تشغيل تلك المحطات الكهرومائية في أي مكان حول التل ، ويمكن أن يكون ذلك مفيدًا إذا كان جزء معين من المحطة منخفضًا في مصادر الطاقة الأخرى.


كيف تخزن النباتات الطاقة بواسطة بطارية البوتاسيوم؟ - مادة الاحياء

كل الكائنات الحية تتطلب طاقة لتعمل. بينما تكتسب الكائنات الحية المختلفة هذه الطاقة بطرق مختلفة ، فإنها تخزنها (وتستخدمها) بنفس الطريقة. في هذا القسم ، سنتعرف & # 8217 على ATP - طاقة الحياة. ATP هو كيف تخزن الخلايا الطاقة. يتم إنتاج جزيئات التخزين هذه في الميتوكوندريا ، وهي عضيات صغيرة توجد في الخلايا حقيقية النواة تسمى أحيانًا & # 8220powerhouse & # 8221 للخلية.

طبيب أمراض الميتوكوندريا

ماذا يحدث عندما لا تسير ردود الفعل الحرجة للتنفس الخلوي بشكل صحيح؟ أمراض الميتوكوندريا هي اضطرابات وراثية في عملية التمثيل الغذائي. يمكن أن تنشأ اضطرابات الميتوكوندريا من الطفرات في الحمض النووي أو الميتوكوندريا ، وتؤدي إلى إنتاج طاقة أقل مما هو طبيعي في خلايا الجسم.

في مرض السكري من النوع 2 ، على سبيل المثال ، يتم تقليل كفاءة أكسدة NADH ، مما يؤثر على الفسفرة المؤكسدة ولكن ليس على خطوات التنفس الأخرى. يمكن أن تشمل أعراض أمراض الميتوكوندريا ضعف العضلات ، وعدم التنسيق ، ونوبات تشبه السكتة الدماغية ، وفقدان البصر والسمع. يتم تشخيص معظم الأشخاص المصابين في مرحلة الطفولة ، على الرغم من وجود بعض الأمراض التي تصيب البالغين.

يعد تحديد وعلاج اضطرابات الميتوكوندريا مجالًا طبيًا متخصصًا. يتطلب الإعداد التعليمي لهذه المهنة تعليمًا جامعيًا ، تليها كلية الطب مع تخصص في علم الوراثة الطبية. يمكن لعلماء الوراثة الطبية أن يكونوا حاصلين على شهادة البورد من قبل المجلس الأمريكي لعلم الوراثة الطبية وأن يصبحوا مرتبطين بالمنظمات المهنية المكرسة لدراسة أمراض الميتوكوندريا ، مثل جمعية طب الميتوكوندريا وجمعية الأمراض الأيضية الوراثية.

نتائج التعلم

صف كيف تقوم الخلايا بتخزين ونقل الطاقة المجانية باستخدام ATP

لا تستطيع الخلية الحية تخزين كميات كبيرة من الطاقة الحرة. قد تؤدي الطاقة الحرة الزائدة إلى زيادة الحرارة في الخلية ، مما قد يؤدي إلى حركة حرارية مفرطة يمكن أن تتلف الخلية ثم تدمرها. بدلاً من ذلك ، يجب أن تكون الخلية قادرة على التعامل مع هذه الطاقة بطريقة تمكن الخلية من تخزين الطاقة بأمان وإطلاقها لاستخدامها فقط عند الحاجة. تحقق الخلايا الحية ذلك باستخدام مركب الأدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP). غالبًا ما يُطلق على ATP اسم "عملة الطاقة" للخلية ، ومثل العملة ، يمكن استخدام هذا المركب متعدد الاستخدامات لسد أي حاجة للطاقة للخلية. كيف؟ تعمل بشكل مشابه لبطارية قابلة لإعادة الشحن.

عندما يتم تكسير ATP ، عادة عن طريق إزالة مجموعة الفوسفات الطرفية ، يتم إطلاق الطاقة. يتم استخدام الطاقة للقيام بعمل من قبل الخلية ، عادةً عن طريق ارتباط الفوسفات المنطلق بجزيء آخر ، مما يؤدي إلى تنشيطه. على سبيل المثال ، في العمل الميكانيكي لتقلص العضلات ، يوفر ATP الطاقة لتحريك بروتينات العضلات المقلصة. تذكر عمل النقل النشط لمضخة الصوديوم والبوتاسيوم في أغشية الخلايا. يغير ATP بنية البروتين المتكامل الذي يعمل كمضخة ، ويغير تقاربها للصوديوم والبوتاسيوم. بهذه الطريقة ، تؤدي الخلية العمل ، وتضخ الأيونات ضد تدرجاتها الكهروكيميائية.


التركيب الكيميائي للنباتات

تتكون النباتات من الماء والمواد العضوية المحتوية على الكربون والمواد غير العضوية غير المحتوية على الكربون مثل البوتاسيوم والنيتروجين.

أهداف التعلم

وصف التركيب الكيميائي للنباتات

الماخذ الرئيسية

النقاط الرئيسية

  • يشتمل الماء على نسبة كبيرة من الوزن الإجمالي للنبات ويستخدم لدعم بنية الخلايا ، ووظائف التمثيل الغذائي ، وحمل العناصر الغذائية ، والتمثيل الضوئي.
  • يُمتص الماء من التربة من خلال شعيرات الجذور وينقل إلى باقي أجزاء النبات من خلال نسيج الخشب.
  • هناك حاجة إلى العديد من العناصر الغذائية الأساسية العضوية وغير العضوية للحفاظ على حياة النبات.

الشروط الاساسية

  • عضوي: المتعلقة بمركبات الكربون ، المتعلقة بالمنتجات الطبيعية
  • غير عضوي: يتعلق بمركب لا يحتوي على كربون
  • نسيج: نسيج وعائي في نباتات اليابسة مسؤول بشكل أساسي عن توزيع المياه والمعادن التي تمتصها الجذور وكذلك المكون الأساسي للخشب
  • النتح: فقدان الماء عن طريق التبخر في النباتات الأرضية ، وخاصة من خلال الثغور المصحوب بامتصاص مماثل من الجذور

التركيب الكيميائي للنباتات

ماء

امتصاص الماء من الجذور: يُمتص الماء من خلال الشعيرات الجذرية ويتحرك لأعلى في نسيج الخشب إلى الأوراق.

نظرًا لأن النباتات تتطلب مغذيات في شكل عناصر مثل الكربون والبوتاسيوم ، فمن المهم فهم التركيب الكيميائي للنباتات. غالبية الحجم في الخلية النباتية عبارة عن ماء ، فهو يشتمل عادةً على 80 إلى 90 في المائة من الوزن الإجمالي للنبات. التربة هي مصدر المياه لنباتات الأرض. يمكن أن يكون مصدرًا وفيرًا للمياه حتى لو بدا جافًا. تمتص جذور النباتات الماء من التربة من خلال شعيرات الجذور وتنقلها إلى الأوراق عبر نسيج الخشب. عندما يُفقد بخار الماء من الأوراق ، فإن عملية النتح وقطبية جزيئات الماء (التي تمكنها من تكوين روابط هيدروجينية) تجذب المزيد من الماء من الجذور إلى أعلى من خلال النبات إلى الأوراق. تحتاج النباتات إلى الماء لدعم بنية الخلية ووظائف التمثيل الغذائي وحمل العناصر الغذائية والتمثيل الضوئي.

العناصر الغذائية

تحتاج الخلايا النباتية إلى مواد أساسية ، تسمى مجتمعة العناصر الغذائية ، للحفاظ على الحياة. قد تتكون المغذيات النباتية من مركبات عضوية أو غير عضوية. المركب العضوي هو مركب كيميائي يحتوي على الكربون ، مثل ثاني أكسيد الكربون الذي يتم الحصول عليه من الغلاف الجوي. الكربون الذي تم الحصول عليه من الغلاف الجوي CO2 غالبية الكتلة الجافة في معظم النباتات. لا يحتوي المركب غير العضوي على الكربون ولا يعد جزءًا من كائن حي أو ينتج عن طريقه. المواد غير العضوية (التي تشكل غالبية مادة التربة) تسمى عادة المعادن: تلك التي تتطلبها النباتات تشمل النيتروجين (N) والبوتاسيوم (K) ، من أجل البنية والتنظيم.


البوتاسيوم في النباتات والتربة

سمارت سماد

انضم إلى منتدانا الآن و
اسأل أي سؤال مجانا
كن عضوا في مركز المعرفة الذكي للأسمدة
مجتمع خبراء التغذية النباتية شكرا لانضمامك ومرحبا بكم في منتدانا!

انضم إلى منتدانا الآن و
اسأل أي سؤال مجانا
كن عضوا في مركز المعرفة الذكي للأسمدة
مجتمع خبراء التغذية النباتية شكرا لانضمامك ومرحبا بكم في منتدانا!

البوتاسيوم ضروري مغذيات النبات وهو مطلوب بكميات كبيرة للنمو السليم والتكاثر للنباتات. يعتبر البوتاسيوم في المرتبة الثانية بعد النيتروجين ، عندما يتعلق الأمر بالمغذيات التي تحتاجها النباتات ، وعادة ما يعتبر "عنصرًا غذائيًا عالي الجودة".

يؤثر على شكل النبات وحجمه ولونه وطعمه والقياسات الأخرى المنسوبة إلى المنتجات الصحية.


تقنيات تخزين الطاقة

تساهم تقنيات تخزين الطاقة المختلفة في استقرار الكهرباء من خلال العمل في مراحل مختلفة من الشبكة ، من التوليد إلى الاستخدام النهائي للمستهلك.

التخزين الحراري

يستخدم التخزين الحراري للكهرباء توليد باستخدام الطاقة من الشمس ، حتى عندما لا تكون الشمس مشرقة. يمكن لمحطات الطاقة الشمسية المركزة التقاط الحرارة من الشمس وتخزين الطاقة في الماء أو الأملاح المنصهرة أو السوائل الأخرى. يتم استخدام هذه الطاقة المخزنة لاحقًا لتوليد الكهرباء ، مما يتيح استخدام الطاقة الشمسية حتى بعد غروب الشمس.

مثل هذه النباتات تعمل حاليًا أو مقترحة في ولايات كاليفورنيا وأريزونا ونيفادا [4]. على سبيل المثال ، سيستخدم مشروع رايس للطاقة الشمسية المقترح في بليث بكاليفورنيا نظام تخزين الملح المصهور مع برج شمسي مركّز لتوفير الطاقة لما يقرب من 68000 منزل سنويًا [5].

توجد أيضًا تقنيات التخزين الحراري لـ نهاية الاستخدام تخزين الطاقة. إحدى الطرق هي تجميد الماء ليلاً باستخدام كهرباء خارج أوقات الذروة ، ثم إطلاق الطاقة الباردة المخزنة من الجليد للمساعدة في تكييف الهواء أثناء النهار [6].

على سبيل المثال ، يقوم نظام Ice Bear التابع لشركة Ice Energy بإنشاء كتلة من الجليد ليلاً ، ثم يستخدم الثلج أثناء النهار لتكثيف مادة التبريد في نظام تكييف الهواء [7]. وبهذه الطريقة ، يحول نظام Ice Bear استهلاك الكهرباء للمبنى من أوقات الذروة أثناء النهار إلى أوقات خارج الذروة عندما تكون الكهرباء أقل تكلفة. بالإضافة إلى ذلك ، تجري إدارة الطاقة في بونفيل برنامجًا تجريبيًا لتخزين فائض توليد الرياح في سخانات المياه السكنية [8].

هواء مضغوط

يعمل تخزين طاقة الهواء المضغوط (CAES) أيضًا كملف توليد تقنية التخزين باستخدام الطاقة المرنة الكامنة للهواء المضغوط لتحسين كفاءة توربينات الغاز التقليدية.

تعمل أنظمة CAES على ضغط الهواء باستخدام الكهرباء في غير أوقات الذروة ، ثم تخزن الهواء في كهوف تحت الأرض. خلال أوقات ذروة الطلب ، يتم سحب الهواء من التخزين وإطلاقه بالغاز الطبيعي في توربينات الاحتراق لتوليد الكهرباء [9]. تستخدم هذه الطريقة فقط ثلث الغاز الطبيعي المستخدم في الطرق التقليدية [10]. نظرًا لأن مصانع CAES تتطلب نوعًا من الخزانات الجوفية ، فإنها مقيدة بمواقعها. يعمل مصنعان تجاريان لـ CAES حاليًا في Huntorf بألمانيا و MacIntosh ، ألاباما ، على الرغم من اقتراح مصانع في أجزاء أخرى من الولايات المتحدة.

يمكن استخدام الهيدروجين كوقود خالٍ من الكربون لـ توليد. يمكن استخدام الكهرباء الزائدة لإنتاج الهيدروجين ، والذي يمكن تخزينه واستخدامه لاحقًا في خلايا الوقود أو المحركات أو التوربينات الغازية لتوليد الكهرباء دون إنتاج انبعاثات ضارة [11]. قامت NREL بدراسة إمكانية إنتاج الهيدروجين من طاقة الرياح وتخزينه في أبراج توربينات الرياح لتوليد الكهرباء عندما لا تهب الرياح [12].

تخزين ضخ الطاقة الكهرومائية

يوفر التخزين الكهرومائي الذي يتم ضخه طريقة لتخزين الطاقة في الشبكة انتقال المرحلة ، عن طريق تخزين التوليد الزائد لاستخدامه لاحقًا.

تشتمل العديد من محطات الطاقة الكهرومائية على خزانين على ارتفاعات مختلفة. تخزن هذه المحطات الطاقة عن طريق ضخ المياه في الخزان العلوي عندما يتجاوز العرض الطلب. عندما يتجاوز الطلب العرض ، يتم إطلاق المياه في الخزان السفلي عن طريق الجري إلى أسفل عبر التوربينات لتوليد الكهرباء.

مع أكثر من 22 جيجاواط من السعة المركبة في الولايات المتحدة ، يعد التخزين المائي الذي يتم ضخه أكبر نظام تخزين يعمل اليوم [13]. ومع ذلك ، فإن عملية السماح الطويلة والتكلفة العالية للتخزين بالضخ تجعل من غير المحتمل تنفيذ المزيد من المشاريع.

يمكن أن توفر الحذافات مجموعة متنوعة من الفوائد للشبكة في أي من انتقال أو توزيع المستوى ، عن طريق تخزين الكهرباء في شكل كتلة دوارة.

الجهاز على شكل اسطوانة ويحتوي على دوار كبير داخل فراغ. عندما تسحب دولاب الموازنة الطاقة من الشبكة ، يتسارع الدوار إلى سرعات عالية جدًا ، ويخزن الكهرباء كطاقة دورانية. لتفريغ الطاقة المخزنة ، يتحول الدوار إلى وضع التوليد ، ويبطئ ، ويعمل بالطاقة بالقصور الذاتي ، وبالتالي يعيد الكهرباء إلى الشبكة [14].

تتميز الحذافات عادةً بعمر طويل وتتطلب القليل من الصيانة. تتمتع الأجهزة أيضًا بكفاءات عالية وأوقات استجابة سريعة. نظرًا لأنه يمكن وضعها في أي مكان تقريبًا ، يمكن وضع الحذافات بالقرب من المستهلكين وتخزين الكهرباء للتوزيع.

في حين أن جهاز الحدافة الواحدة لديه سعة نموذجية في حدود كيلووات ، يمكن توصيل العديد من الحذافات في "مزرعة دولاب الموازنة" لإنشاء منشأة تخزين بترتيب ميغاوات [15]. تعد محطة تخزين الطاقة Stephentown Flywheel التابعة لشركة Beacon Power في نيويورك أكبر منشأة دولاب الموازنة في الولايات المتحدة ، مع قدرة تشغيلية تبلغ 20 ميجاوات [16].

يمكن أيضًا استخدام البطاريات ، مثل تلك الموجودة في مصباح يدوي أو هاتف محمول ، لتخزين الطاقة على نطاق واسع.

مثل الحذافات ، يمكن وضع البطاريات في أي مكان بحيث يُنظر إليها غالبًا على أنها تخزين توزيع، عندما توجد منشأة بطارية بالقرب من المستهلكين لتوفير استقرار الطاقة أو نهاية الاستخدام، مثل البطاريات في السيارات الكهربائية.

هناك العديد من أنواع البطاريات المختلفة التي لها إمكانات كبيرة لتخزين الطاقة ، بما في ذلك بطاريات الصوديوم والكبريت والهواء المعدني وأيون الليثيوم وبطاريات حمض الرصاص. هناك العديد من تركيبات البطاريات في مزارع الرياح بما في ذلك مشروع Notrees Wind Storage Demonstration في تكساس ، والذي يستخدم مرفق بطارية 36 ميجاوات للمساعدة في ضمان استقرار مصدر الطاقة حتى عندما لا تهب الرياح [17].

تم إحراز تقدم في تقنيات البطاريات إلى حد كبير بسبب التوسع في صناعة السيارات الكهربائية (EV). مع إجراء المزيد من التطورات مع المركبات الكهربائية ، يجب أن تستمر تكلفة البطارية في الانخفاض [18]. يمكن أن يكون للمركبات الكهربائية أيضًا تأثير على تخزين الطاقة من خلال تقنيات الانتقال من السيارة إلى الشبكة ، حيث يمكن توصيل بطارياتها بالشبكة وتفريغ الطاقة ليستخدمها الآخرون.


مستقبل الطاقة البديلة

بالقرب من غرناطة ، إسبانيا ، يمر الآن أكثر من 28000 طن متري من الملح عبر الأنابيب في محطة توليد الكهرباء Andasol 1. سيتم استخدام هذا الملح لحل مشكلة ملحة إذا كانت واضحة للطاقة الشمسية: ماذا تفعل عندما لا تكون الشمس مشرقة وفي الليل؟

الجواب: تخزين ضوء الشمس كطاقة حرارية لمثل هذا اليوم الممطر.

جزء مما يسمى محطة الطاقة الشمسية الحرارية ، ستساعد الأملاح قريبًا المنشأة على إضاءة الليل و mdashliterally. لأن معظم الأملاح تذوب فقط في درجات حرارة عالية (ملح الطعام ، على سبيل المثال ، يذوب عند حوالي 1472 درجة فهرنهايت ، أو 800 درجة مئوية) ولا تتحول إلى بخار حتى تصبح أكثر سخونة بشكل كبير ويمكن استخدامها لتخزين الكثير من طاقة الشمس مثل الحرارة. ما عليك سوى استخدام ضوء الشمس لتسخين الأملاح ووضع تلك الأملاح المنصهرة بالقرب من الماء عبر مبادل حراري. يمكن بعد ذلك عمل البخار الساخن لتشغيل التوربينات دون فقد الكثير من الطاقة الشمسية الأصلية الممتصة.

خليط الأملاح والمدشة من نترات الصوديوم والبوتاسيوم ، يستخدمان كأسمدة و mdashallow يكفي من حرارة الشمس لتخزينها بحيث يمكن لمحطة توليد الكهرباء ضخ الكهرباء لما يقرب من ثماني ساعات بعد أن تبدأ الشمس في الغروب. & quotI يكفي لمدة 7.5 ساعات لإنتاج طاقة بقدرة كاملة تبلغ 50 ميغاواط ، ويقول سفين مورمان ، المتحدث باسم شركة سولار ميلينيوم ، إيه جي ، الشركة الألمانية للطاقة الشمسية التي طورت محطة أنداسول. & quot ساعات الإنتاج تقترب من ضعف ساعات [محطات الطاقة الشمسية الحرارية] بدون تخزين ولدينا إمكانية التخطيط لإنتاج الكهرباء لدينا. & quot

استخدام المرايا لتركيز طاقة الشمس هي خدعة قديمة و mdashthe استخدمها كل من الصينيين واليونانيين القدماء لإشعال الحرائق وقد توفر محطات الطاقة الحديثة التي تستخدمها مصدرًا مهمًا للطاقة المتجددة دون أي انبعاثات غازات الدفيئة.

هذه خطوة للأمام في حد ذاتها ، لكن محطات الطاقة هذه تقتصر على توليد الطاقة فقط عندما تكون هناك أشعة الشمس. لذلك جرب المهندسون عددًا من التقنيات المختلفة لتخزين طاقة الشمس بحيث يمكن استخدام محطات الطاقة هذه على نطاق أوسع. لقد جربوا البطاريات ولكن الكثير من الطاقة التي تدخل لا يتم إرجاعها ، وهي تميل إلى أن تكون باهظة الثمن ، وفقًا لتحليل من مختبر الطاقة المتجددة الوطني (NREL) في غولدن ، كولو. ضغط الهواء أو ضخ المياه صعودًا أكثر واعدة ، لكن الفرص للقيام بذلك محدودة بعدد الكهوف وتوافر المياه والخزانات.

ومع ذلك ، يمكن للأملاح الذائبة عند درجات حرارة أعلى من 435 درجة فهرنهايت (224 درجة مئوية) أن تعيد ما يصل إلى 93 في المائة من الطاقة ، بالإضافة إلى أن الأملاح موجودة في كل مكان بسبب استخدامها كسماد.

& quotThere مصطلح يسمى كفاءة رحلة الذهاب والإياب. في الأساس ، هو مقياس لمقدار الكهرباء التي يتم إنتاجها إذا تم تخزين الطاقة الحرارية المتولدة أولاً ثم استخدامها مقارنة بأخذ الطاقة مباشرة. هذا الرقم هو حوالي 93 في المائة ، ومثل يشرح جريج جلاتزماير ، كبير المهندسين في NREL. & quot [بالنسبة إلى] أشياء مثل الهواء المضغوط والتخزين الميكانيكي ، هناك خسائر أكبر ، & quot بمتوسط ​​20 في المائة على الأقل عبر جميع التقنيات المختلفة.

محطة الطاقة Andasol 1 ، التي تكلف بناؤها حوالي 380 مليون دولار (300 مليون يورو) ، هي أول محطة تستخدم هذه التقنية بالفعل ، لذلك يبقى أن نرى كيف ستعمل في الممارسة التجارية. لكن مختبرات الحكومة الأمريكية و mdashNREL بالإضافة إلى مختبر سانديا الوطني في البوكيرك ، N.

إن شركة Solar Millennium واثقة جدًا من أن التكنولوجيا ستنجح لدرجة أن محطة الطاقة الشمسية الحرارية المزدوجة (Andasol 2) على وشك الانتهاء بالفعل. & quotIt ستبدأ عملياتها في بداية الصيف و [مدش] مايو أو يونيو ، & quot يقول مورمان.

وقد تعاقدت شركة أريزونا للخدمات العامة (APS) مع أبينجوا سولار لبناء محطة طاقة حرارية شمسية بقدرة 280 ميغاواط وأطلق عليها اسم Solana أو & quotsunny place & quot & quot & mdash70 ميلاً (110 كيلومترات) جنوب غرب فينيكس على ما يقرب من 2000 فدان (800 هكتار) من الأرض. & quot؛ أحد الأشياء الرائعة حول تقنية الملح المصهور هو أنه يمكنك الحصول على المزيد من موارد الطاقة الشمسية النقية ، والمزيد من الطاقة من نفس المنشأة ، كما تقول باربرا لوكوود ، مديرة الطاقة المتجددة في وكالة الأنباء الجزائرية. & quotIt هو بديل يوفر لنا طاقة خضراء إضافية ، مثل ما يصل إلى 1680 ميغاواط / ساعة عندما يكون الجو غائمًا أو بعد غروب الشمس.

لكن هذه الطاقة الإضافية لها تكلفة. أولاً ، يجب توسيع محطة الطاقة بحيث تولد قدرتها الكهربائية الكاملة بالإضافة إلى تسخين الأملاح. في حالة Andasol 1 ، كان ذلك يعني تغطية 126 فدانًا (50 هكتارًا) بصفوف طويلة من الأحواض والأنابيب. ثم هناك تكلفة إضافية لخزانات الملح المصهور ، وفقًا لمورمان.

أخيرًا ، هذا يعني تخزين الطاقة الحرارية في Andasol 1 أو محطات توليد الطاقة مثل تكلفة تركيبها حوالي 50 دولارًا لكل كيلوواط / ساعة ، وفقًا لـ Glatzmaier من NREL. لكنها لا تضيف الكثير إلى تكلفة الكهرباء الناتجة لأنها تسمح للتوربينات بالتوليد لفترات أطول ويمكن توزيع هذه التكاليف على ساعات أكثر من إنتاج الكهرباء. تكلف الكهرباء من محطة للطاقة الشمسية الحرارية ما يقرب من 13 سنتًا للكيلوواط / ساعة ، وفقًا لـ Glatzmaier ، سواء مع أنظمة تخزين الملح المصهور أو بدونها.

لا يزال هذا السعر ما يقرب من ضعف سعر الكهرباء من محطة الطاقة التي تعمل بالفحم و mdash أرخص خيار توليد حالي إذا لم يتم أخذ التكاليف البيئية في الاعتبار. لكن يمكن لـ APS في ولاية أريزونا وغيرها استخدام الطاقة الشمسية لتلبية الحد الأقصى من الطلب على الكهرباء في وقت لاحق من اليوم. & quot لدينا ذروة الطلب [على الكهرباء] في وقت لاحق من المساء ، بمجرد أن يتراجع إنتاج الطاقة الشمسية ، يقول لوكوود. وهذا هو السبب وراء توجهنا في هذا الاتجاه واهتمامنا الشديد بتكنولوجيا التخزين. & quot

بنفس كفاءة محطات الطاقة الشمسية الحرارية باستخدام أحواض مكافئة مع أنظمة تخزين الملح المصهور مثل Andasol 1 أو Solana ، فإنها لا تلتقط أكبر قدر ممكن من حرارة الشمس. عند درجة حرارة تزيد عن 750 درجة فهرنهايت (400 درجة مئوية) ، تبدأ الزيوت الاصطناعية المستخدمة لالتقاط حرارة الشمس وحرارة rsquos في الأحواض في الانهيار ، لكن الأملاح المنصهرة يمكن أن تستوعب حرارة أكثر من ذلك بكثير.

للسماح للأملاح بأن تصبح أكثر سخونة ، تقوم بعض الشركات ، مثل SolarReserve في سانتا مونيكا ، كاليفورنيا ، بتطوير ما يسمى بأبراج الطاقة وحقول mdashvast من المرايا التي تركز ضوء الشمس على برج مركزي. نظرًا للتصميم المركزي ، يمكن لمثل هذا الهيكل أن يعمل في درجات حرارة أعلى بكثير و mdashup تصل إلى 1000 درجة فهرنهايت (535 درجة مئوية) و mdas ومن ثم استخدام الأملاح المنصهرة مباشرة كسائل نقل الحرارة في محطة توليد الكهرباء. "نحن نقوم بتسخين الأملاح إلى أكثر من 1000 درجة فهرنهايت ، وهذا يؤدي إلى نفس ظروف المدخل التي تراها المرافق اليوم في محطة تعمل بالفحم أو الطاقة النووية ،" كما يقول تيري مورفي ، رئيس شركة سولار ريزيرف.

لكن محطة توليد الكهرباء هذه و mdashand Murphy تقول إن الشركة لديها حوالي 50 مشروعًا من هذا القبيل في خط الأنابيب وتتوقع تشغيل واحد على الأقل (في الولايات المتحدة أو إسبانيا) بحلول عام 2013 وستتكلف mdash ما يصل إلى 800 مليون دولار لبرج طاقة 200 ميغاواط. يقول توماس مانشيني ، مدير برنامج الطاقة الشمسية المركزة في سانديا ، إن أول برج للطاقة الملحية المصهور تم بناؤه سيكون تجربة حقيقية. & quot

لذلك يبحث الباحثون أيضًا في الأملاح التي يمكن استخدامها بدلاً من الزيت في محطات توليد الطاقة ذات القطع المكافئ ، مثل تلك التي تذوب في درجات حرارة منخفضة وبالتالي لن تتجمد بسهولة خلال الليالي الباردة ، وفقًا لهانك برايس ، نائب الرئيس للتكنولوجيا. التطوير في Abengoa Solar.

تعمل Solar Millennium على مثل هذا الملح ، وفقًا لمورمان ، وقد طورت سانديا كميات صغيرة من مزيج جديد من الأملاح ، بما في ذلك نترات الكالسيوم ونترات الليثيوم ، التي تذوب في درجة حرارة أقل من 212 درجة فهرنهايت (100 درجة مئوية). & quot مع نترات الليثيوم ، تكون باهظة الثمن مثل جميع المكونات الأخرى مجتمعة. على الرغم من أنه لا يزال أرخص بكثير من زيوت نقل الحرارة العضوية ، يقول المهندس الكيميائي بوب برادشو في سانديا في كاليفورنيا ، الذي يقود البحث. & quot. لا تحصل على شيء مقابل لا شيء. & quot

وتبحث المشاريع البحثية طويلة الأجل في تقنيات التخزين الحراري الأخرى ، مثل تخزين الحرارة في الرمال أو إنشاء خزان واحد لتخزين الملح المصهور. يقول فيل سميثرز ، قائد الخدمات الفنية للطاقة المتجددة في APS ، الذي يبحث في هذه التقنيات بموجب منحة من وزارة الطاقة الأمريكية ، إن الهدف الرئيسي هو العثور على تقنية تخزين قد تقلل التكلفة الرأسمالية الفعلية & quot لإضافتها إلى محطة للطاقة.

في النهاية ، سيتعلق الأمر بمدى القيمة التي يضعها صانعو السياسات والمستهلكون للكهرباء المتجددة والخالية من الانبعاثات. & quot إذا بدأنا في تقييم الكربون وأجبرنا مصنعًا للفحم على أن يصبح خاليًا من الكربون عن طريق العزل ، فنحن عند أو أكثر من 10 سنتات لكل كيلوواط / ساعة من الفحم ، كما يقول مانشيني. & quot أي من هذه التقنيات يمكن أن تصل إلى نفس مستوى 10 سنتات مع تخزين [الملح المصهور]. ثم يقوم السوق بإجراء المكالمة. & quot

وإذا تسبب Andasol 1 في حدوث تسرب أو فشل في تحقيقه كما هو متوقع ، فلن يقتصر الضرر على كومة من سماد الملح على الأرض ويمكن أن يمثل مدشيت انتكاسة للجهود بأكملها لتخزين الطاقة الشمسية. & quot؛ كان علينا بناء أول مصنع [تجاري] [بتخزين الملح المصهور] وهذا ما هو Andasol ، كما يقول مانشيني ، لإثبات التكنولوجيا. & quot


علم الأحياء 171

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

  • ناقش أهمية الإلكترونات في نقل الطاقة في الأنظمة الحية
  • اشرح كيف تستخدم الخلايا ATP كمصدر للطاقة

يتضمن إنتاج الطاقة داخل الخلية العديد من المسارات الكيميائية المنسقة. معظم هذه المسارات عبارة عن مجموعات من تفاعلات الأكسدة والاختزال ، والتي تحدث في نفس الوقت. يزيل تفاعل الأكسدة إلكترونًا من ذرة في مركب ، وإضافة هذا الإلكترون إلى مركب آخر هو تفاعل اختزال. نظرًا لأن الأكسدة والاختزال يحدثان معًا عادةً ، فإن هذه الأزواج من التفاعلات تسمى تفاعلات تقليل الأكسدة ، أو تفاعلات الأكسدة والاختزال.

الإلكترونات والطاقة

ينتج عن إزالة الإلكترون من الجزيء (مؤكسدته) انخفاض في الطاقة الكامنة في المركب المؤكسد. لا يبقى الإلكترون (أحيانًا كجزء من ذرة الهيدروجين) غير مرتبط ، ومع ذلك ، في سيتوبلازم الخلية. بدلا من ذلك ، يتم إزاحة الإلكترون إلى مركب ثان ، مما يقلل من المركب الثاني. يؤدي انتقال الإلكترون من مركب إلى آخر إلى إزالة بعض الطاقة الكامنة من المركب الأول (المركب المؤكسد) وزيادة الطاقة الكامنة للمركب الثاني (المركب المختزل). يعد نقل الإلكترونات بين الجزيئات أمرًا مهمًا لأن معظم الطاقة المخزنة في الذرات والمستخدمة لتغذية وظائف الخلايا تكون في شكل إلكترونات عالية الطاقة. يسمح نقل الطاقة في شكل إلكترونات عالية الطاقة للخلية بنقل الطاقة واستخدامها بطريقة تدريجية - في حزم صغيرة بدلاً من دفعة واحدة مدمرة. يركز هذا الفصل على استخراج الطاقة من الطعام ، وسوف ترى أنه أثناء تتبعك لمسار عمليات النقل ، فإنك تتعقب مسار الإلكترونات التي تتحرك عبر المسارات الأيضية.

ناقلات الإلكترون

في الأنظمة الحية ، تعمل فئة صغيرة من المركبات كمكوكات إلكترونية: فهي تربط وتحمل إلكترونات عالية الطاقة بين المركبات في المسارات البيوكيميائية. حوامل الإلكترون الرئيسية التي سننظر فيها مشتقة من مجموعة فيتامين ب وهي مشتقات من النيوكليوتيدات. يمكن اختزال هذه المركبات بسهولة (أي أنها تقبل الإلكترونات) أو تتأكسد (تفقد الإلكترونات). مشتق نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد (NAD) ((الشكل)) من فيتامين ب3النياسين. NAD + هو الشكل المؤكسد للجزيء NADH هو الشكل المختزل للجزيء بعد أن يقبل إلكترونين وبروتون (وهما معًا ما يعادل ذرة هيدروجين مع إلكترون إضافي). لاحظ أنه إذا كان المركب يحتوي على "H" ، فإنه يتم تقليله بشكل عام (على سبيل المثال ، NADH هو الشكل المختزل لـ NAD).

يمكن أن يقبل NAD + الإلكترونات من جزيء عضوي وفقًا للمعادلة العامة:

عندما تضاف الإلكترونات إلى مركب ، يتم تقليله. يسمى المركب الذي يقلل من الآخر عامل الاختزال. في المعادلة أعلاه ، RH هو عامل مختزل ، ويتم تقليل NAD + إلى NADH. عندما تتم إزالة الإلكترونات من مركب ، يتأكسد. يسمى المركب الذي يؤكسد آخر عامل مؤكسد. في المعادلة أعلاه ، NAD + هو عامل مؤكسد ، ويتأكسد RH إلى R.

وبالمثل ، فإن فلافين الأدينين ثنائي النوكليوتيد (FAD +) مشتق من فيتامين ب2، ويسمى أيضًا الريبوفلافين. شكله المصغر هو FADH2. يحتوي الشكل الثاني من NAD ، NADP ، على مجموعة فوسفات إضافية. يستخدم كل من NAD + و FAD + على نطاق واسع في استخراج الطاقة من السكريات ، ويلعب NADP دورًا مهمًا في التفاعلات الابتنائية والتمثيل الضوئي في النباتات.

ATP في الأنظمة الحية

لا تستطيع الخلية الحية تخزين كميات كبيرة من الطاقة الحرة. قد تؤدي الطاقة الحرة الزائدة إلى زيادة الحرارة في الخلية ، مما قد يؤدي إلى حركة حرارية مفرطة يمكن أن تتلف الخلية ثم تدمرها. بدلاً من ذلك ، يجب أن تكون الخلية قادرة على التعامل مع هذه الطاقة بطريقة تمكن الخلية من تخزين الطاقة بأمان وإطلاقها لاستخدامها فقط عند الحاجة. تحقق الخلايا الحية ذلك باستخدام مركب الأدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP). غالبًا ما يُطلق على ATP اسم "عملة الطاقة" للخلية ، ومثل العملة ، يمكن استخدام هذا المركب متعدد الاستخدامات لسد أي حاجة للطاقة للخلية. كيف؟ تعمل بشكل مشابه لبطارية قابلة لإعادة الشحن.

عندما يتم تكسير ATP ، عادة عن طريق إزالة مجموعة الفوسفات الطرفية ، يتم إطلاق الطاقة. يتم استخدام الطاقة للقيام بعمل من قبل الخلية ، عادة عندما يرتبط الفوسفات المنطلق بجزيء آخر ، وبالتالي يتم تنشيطه. على سبيل المثال ، في العمل الميكانيكي لتقلص العضلات ، يوفر ATP الطاقة لتحريك بروتينات العضلات المقلصة. تذكر عمل النقل النشط لمضخة الصوديوم والبوتاسيوم في أغشية الخلايا. يغير ATP بنية البروتين المتكامل الذي يعمل كمضخة ، ويغير تقاربها للصوديوم والبوتاسيوم. بهذه الطريقة ، تؤدي الخلية العمل ، وتضخ الأيونات ضد تدرجاتها الكهروكيميائية.

هيكل ووظيفة ATP

يوجد في قلب ATP جزيء من أدينوزين أحادي الفوسفات (AMP) ، والذي يتكون من جزيء أدينين مرتبط بجزيء ريبوز ومجموعة فوسفات واحدة ((الشكل)). الريبوز هو سكر خماسي الكربون موجود في الحمض النووي الريبي ، و AMP هو أحد النيوكليوتيدات في الحمض النووي الريبي. تؤدي إضافة مجموعة فوسفات ثانية إلى هذا الجزيء الأساسي إلى تكوين الأدينوزين ديالفوسفات (ADP) إضافة مجموعة فوسفات ثالثة تشكل الأدينوزين ثلاثيالفوسفات (ATP).

تتطلب إضافة مجموعة فوسفات إلى جزيء طاقة. مجموعات الفوسفات مشحونة سالبة وبالتالي تتنافر عندما يتم ترتيبها في سلسلة ، كما هو الحال في ADP و ATP. هذا التنافر يجعل جزيئات ADP و ATP غير مستقرة بطبيعتها. يطلق إطلاق مجموعة أو مجموعتين من الفوسفات من ATP ، وهي عملية تسمى نزع الفسفرة ، الطاقة.

الطاقة من ATP

التحلل المائي هو عملية تفكيك الجزيئات الكبيرة المعقدة. أثناء التحلل المائي ، ينقسم الماء ، أو يتحلل ، وتكون ذرة الهيدروجين الناتجة (H +) ومجموعة الهيدروكسيل (OH & # 8211) ، أو هيدروكسيد ، تضاف إلى الجزيء الأكبر. ينتج التحلل المائي لـ ATP ADP ، مع أيون فوسفات غير عضوي (P.أنا) وإطلاق الطاقة الحرة. لتنفيذ عمليات الحياة ، يتم تقسيم ATP باستمرار إلى ADP ، ومثل البطارية القابلة لإعادة الشحن ، يتم تجديد ADP باستمرار إلى ATP عن طريق إعادة ربط مجموعة فوسفات ثالثة. الماء ، الذي تم تقسيمه إلى ذرة الهيدروجين ومجموعة الهيدروكسيل (هيدروكسيد) أثناء التحلل المائي لـ ATP ، يتم تجديده عند إضافة فوسفات ثالث إلى جزيء ADP ، مع إعادة تكوين ATP.

من الواضح أنه يجب ضخ الطاقة في النظام لتجديد ATP. من اين تاتي هذه الطاقة؟ في كل كائن حي على الأرض تقريبًا ، تأتي الطاقة من استقلاب الجلوكوز أو الفركتوز أو الجالاكتوز ، وجميع الأيزومرات التي لها الصيغة الكيميائية C6ح12ا6 لكن تكوينات جزيئية مختلفة. وبهذه الطريقة ، يعد ATP رابطًا مباشرًا بين مجموعة محدودة من المسارات الباهظة للطاقة لتقويض الجلوكوز والعديد من المسارات المندفعة التي تمد الخلايا الحية بالطاقة.

الفسفرة

تذكر أنه في بعض التفاعلات الكيميائية ، قد ترتبط الإنزيمات بعدة ركائز تتفاعل مع بعضها البعض على الإنزيم ، وتشكل مركبًا وسيطًا. المركب الوسيط هو هيكل مؤقت ، ويسمح لأحد الركائز (مثل ATP) والمتفاعلات بالتفاعل بسهولة أكبر مع بعضها البعض في التفاعلات التي تتضمن ATP ، ATP هو أحد الركائز و ADP منتج. أثناء تفاعل كيميائي مرن ، يشكل ATP معقدًا وسيطًا مع الركيزة والإنزيم في التفاعل. يسمح هذا المركب الوسيط لـ ATP بنقل مجموعته الفوسفاتية الثالثة ، مع طاقته ، إلى الركيزة ، وهي عملية تسمى الفسفرة. تشير الفسفرة إلى إضافة الفوسفات (

ص). يتضح هذا من خلال التفاعل العام التالي ، حيث يمثل A و B ركيزتين مختلفتين:

عندما يتفكك المركب الوسيط ، يتم استخدام الطاقة لتعديل الركيزة وتحويلها إلى منتج من التفاعل. يتم إطلاق جزيء ADP وأيون الفوسفات الحر في الوسط ومتاحين لإعادة التدوير من خلال التمثيل الغذائي الخلوي.

الفسفرة الركيزة

يتم إنشاء ATP من خلال آليتين أثناء انهيار الجلوكوز. يتم إنشاء عدد قليل من جزيئات ATP (أي ، يتم تجديدها من ADP) كنتيجة مباشرة للتفاعلات الكيميائية التي تحدث في المسارات التقويضية. تتم إزالة مجموعة الفوسفات من مادة متفاعلة وسيطة في المسار ، وتستخدم الطاقة الحرة للتفاعل لإضافة الفوسفات الثالث إلى جزيء ADP متاح ، مما ينتج ATP ((الشكل)). هذه الطريقة المباشرة جدًا للفسفرة تسمى الفسفرة على مستوى الركيزة.

الفسفرة التأكسدية

ومع ذلك ، فإن معظم الـ ATP الذي تم إنشاؤه أثناء هدم الجلوكوز مشتق من عملية أكثر تعقيدًا ، وهي التناضح الكيميائي ، والتي تحدث في الميتوكوندريا ((الشكل)) داخل خلية حقيقية النواة أو غشاء البلازما لخلية بدائية النواة. تُستخدم عملية التناضح الكيميائي ، وهي عملية إنتاج ATP في التمثيل الغذائي الخلوي ، لتوليد 90٪ من ATP المصنوع أثناء هدم الجلوكوز ، وهي أيضًا الطريقة المستخدمة في تفاعلات الضوء لعملية التمثيل الضوئي لتسخير طاقة ضوء الشمس. يُطلق على إنتاج الـ ATP باستخدام عملية التناضح الكيميائي الفسفرة المؤكسدة بسبب مشاركة الأكسجين في العملية.

طبيب أمراض الميتوكوندريا ماذا يحدث عندما لا تستمر التفاعلات الحرجة للتنفس الخلوي بشكل صحيح؟ قد يحدث هذا في أمراض الميتوكوندريا ، وهي اضطرابات وراثية لعملية التمثيل الغذائي. يمكن أن تنشأ اضطرابات الميتوكوندريا من الطفرات في الحمض النووي أو الميتوكوندريا ، وتؤدي إلى إنتاج طاقة أقل مما هو طبيعي في خلايا الجسم. في مرض السكري من النوع 2 ، على سبيل المثال ، يتم تقليل كفاءة أكسدة NADH ، مما يؤثر على الفسفرة المؤكسدة ولكن ليس على خطوات التنفس الأخرى. يمكن أن تشمل أعراض أمراض الميتوكوندريا ضعف العضلات ، وعدم التنسيق ، ونوبات تشبه السكتة الدماغية ، وفقدان البصر والسمع. يتم تشخيص معظم الأشخاص المصابين في مرحلة الطفولة ، على الرغم من وجود بعض الأمراض التي تصيب البالغين. يعد تحديد وعلاج اضطرابات الميتوكوندريا مجالًا طبيًا متخصصًا. يتطلب الإعداد التعليمي لهذه المهنة تعليمًا جامعيًا ، تليها كلية الطب مع تخصص في علم الوراثة الطبية. يمكن لعلماء الوراثة الطبية أن يكونوا حاصلين على شهادة البورد من قبل المجلس الأمريكي لعلم الوراثة الطبية ويستمرون في الارتباط بالمنظمات المهنية المكرسة لدراسة أمراض الميتوكوندريا ، مثل جمعية طب الميتوكوندريا وجمعية الاضطرابات الأيضية الوراثية.

ملخص القسم

يعمل ATP كعملة للطاقة للخلايا. يسمح للخلية بتخزين الطاقة لفترة وجيزة ونقلها داخل الخلية لدعم التفاعلات الكيميائية المندرجة. إن بنية ATP هي بنية نوكليوتيد الحمض النووي الريبي (RNA) مع ثلاثة فوسفات مرفقة. نظرًا لاستخدام ATP للطاقة ، يتم فصل مجموعة فوسفات أو اثنتين ، ويتم إنتاج إما ADP أو AMP. تُستخدم الطاقة المشتقة من هدم الجلوكوز لتحويل ADP إلى ATP. عندما يتم استخدام ATP في التفاعل ، يتم ربط الفوسفات الثالث مؤقتًا بركيزة في عملية تسمى الفسفرة. عمليتا تجديد ATP اللتان تستخدمان بالاقتران مع هدم الجلوكوز هما الفسفرة على مستوى الركيزة والفسفرة المؤكسدة من خلال عملية التناضح الكيميائي.

إستجابة مجانية

لماذا من المفيد للخلايا أن تستخدم ATP بدلاً من الطاقة مباشرة من روابط الكربوهيدرات؟ ما هي أكبر عيوب تسخير الطاقة مباشرة من روابط عدة مركبات مختلفة؟

يوفر ATP للخلية طريقة للتعامل مع الطاقة بطريقة فعالة. يمكن شحن الجزيء وتخزينه واستخدامه حسب الحاجة. علاوة على ذلك ، يتم تسليم الطاقة من التحلل المائي ATP بكمية ثابتة. سيؤدي تجميع الطاقة من روابط العديد من المركبات المختلفة إلى توصيل الطاقة بكميات مختلفة.

قائمة المصطلحات


كيف تحصل النباتات على المغذيات من التربة إلى جذورها؟

عندما تطورت النباتات لتعيش على الأرض ، احتاجت إلى طريقة للوصول إلى الماء لمواصلة امتصاص العناصر الغذائية. هذا هو المكان الذي أصبحت فيه الجذور في متناول اليد.

دون التعقيد بسرعة كبيرة ، دعونا نلقي نظرة على كيفية عمل الجذور لثانية واحدة.

تحتوي النباتات على أنظمة جذرية معقدة تتكون (بشكل عام) من أي منهما طويل الجذر التي تنزل أسفل النبات مع خروج بعض الفروع منه ، أو أ جذور ليفية نظام يتكون من الكثير من الجذور الفرعية الصغيرة التي تنتشر تحت النبات. إذا كنت قد قطعت نبات الهندباء من الجذور ، فأنت تعلم كيف يبدو نظام الجذر الرئيسي. تعتبر أنظمة الجذر الليفية أكثر شيوعًا في بعض أنواع الحشائش.

تعمل النباتات ذات الجذور الرئيسية بشكل جيد في التربة الجافة لأن جذورها الطويلة تساعدها على استكشاف المياه تحت الأرض. تعتبر النباتات ذات أنظمة الجذر الليفية ممتازة للتحكم في التعرية بفضل أنظمة الجذر المعقدة الخاصة بها.

حقيقة ممتعة ، كانت أعمق الجذور التي تم تسجيلها على الإطلاق من نوع من التين في جنوب إفريقيا بجذور تصل إلى 122 مترًا. ستفعل النباتات أشياء مجنونة للعثور على الماء!

الجذور لها طبقات عديدة ، تشبه إلى حد ما بشرتك. لن ندخل في الأسماء هنا & # 8211 يصبح الأمر معقدًا بسرعة! فقط اعلم أن الطبقة الخارجية من الجذر شبه منفذة بشكل عام ، مما يسمح للماء بالمرور إلى نظام الجذر.

يتم امتصاص معظم العناصر الغذائية من خلال شعر الجذور بالقرب من طرف الجذور. الشعيرات الجذرية هي جذور فائقة النعومة لها مساحة سطح كبيرة ، مما يسمح لها بامتصاص المزيد من الماء. تشارك غالبية النباتات أيضًا مع فطريات مختلفة لامتصاص المزيد من العناصر الغذائية من الماء في التربة.


وجد باحثو جامعة ستانفورد تيارًا كهربائيًا ناجمًا عن النباتات

قام مهندسو جامعة ستانفورد بتوليد تيار كهربائي من خلال الاستفادة من نشاط الإلكترون في خلايا الطحالب الفردية. تثير عملية التمثيل الضوئي الإلكترونات ، والتي يمكن تحويلها بعد ذلك إلى تيار كهربائي باستخدام قطب كهربائي مصمم خصيصًا من الذهب. يمكن أن تكون هذه الدراسة الخطوة الأولى نحو كهرباء خالية من الكربون مباشرة من النباتات.

في بداية مثيرة للكهرباء ، قام علماء ستانفورد بتوصيل خلايا الطحالب وتسخير تيار كهربائي ضئيل. وجدوا أنه مصدر إنتاج الطاقة و # 8211 التمثيل الضوئي ، وهي طريقة نباتية لتحويل ضوء الشمس إلى طاقة كيميائية. قد تكون هذه الخطوة الأولى نحو توليد طاقة كهربائية حيوية عالية الكفاءة لا تنتج ثاني أكسيد الكربون كمنتج ثانوي ، كما يقول الباحثون.

قال وون هيونغ ريو ، المؤلف الرئيسي للورقة المنشورة في عدد آذار (مارس): "نعتقد أننا أول من استخرج الإلكترونات من الخلايا النباتية الحية. رسائل نانو. أجرى ريو التجارب بينما كان باحثًا مشاركًا في الهندسة الميكانيكية الأستاذ فريتز برينز.

طور فريق البحث بجامعة ستانفورد قطبًا نانويًا فريدًا وحادًا للغاية مصنوعًا من الذهب ، وهو مصمم خصيصًا للتحقيق داخل الخلايا. قاموا بدفعها برفق عبر أغشية الخلايا الطحلبية ، التي كانت مغلقة حولها ، وبقيت الخلية على قيد الحياة. من الخلايا الضوئية ، جمع القطب الإلكترونات التي تم تنشيطها بواسطة الضوء وقام الباحثون بتوليد تيار كهربائي ضئيل.

مرحلة البحث المبكر

قال ريو: "ما زلنا في المراحل العلمية من البحث". "كنا نتعامل مع خلايا مفردة لإثبات أنه يمكننا حصاد الإلكترونات".

تستخدم النباتات عملية التمثيل الضوئي لتحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية ، والتي يتم تخزينها في روابط السكريات التي تستخدمها في الغذاء. تتم العملية في البلاستيدات الخضراء ، وهي مراكز القوة الخلوية التي تصنع السكريات وتعطي الأوراق والطحالب لونها الأخضر. في البلاستيدات الخضراء ، ينقسم الماء إلى أكسجين وبروتونات وإلكترونات. يخترق ضوء الشمس البلاستيدات الخضراء ويصطدم بالإلكترونات إلى مستوى طاقة مرتفع ، ويمسكها البروتين على الفور. يتم تمرير الإلكترونات عبر سلسلة من البروتينات ، والتي تلتقط بالتتابع المزيد والمزيد من طاقة الإلكترونات لتخليق السكريات حتى يتم إنفاق كل طاقة الإلكترونات.

في هذه التجربة ، اعترض الباحثون الإلكترونات بعد تحمسها للضوء مباشرة وكانت في أعلى مستويات طاقتها. وضعوا الأقطاب الكهربائية الذهبية في البلاستيدات الخضراء لخلايا الطحالب وسحبوا الإلكترونات لتوليد التيار الكهربائي الصغير.

النتيجة ، كما يقول الباحثون ، هي إنتاج الكهرباء التي لا تطلق الكربون في الغلاف الجوي. المنتجات الثانوية الوحيدة لعملية التمثيل الضوئي هي البروتونات والأكسجين.

وقال ريو: "يحتمل أن يكون هذا أحد أنظف مصادر الطاقة لتوليد الطاقة". "ولكن السؤال هل هو مجدي اقتصاديا؟"

كمية ضئيلة من الكهرباء

قال ريو إنهم كانوا قادرين على سحب بيكو أمبير واحد فقط من كل خلية ، وهي كمية من الكهرباء صغيرة جدًا لدرجة أنها ستحتاج إلى تريليون خلية تقوم بعملية التمثيل الضوئي لمدة ساعة واحدة فقط لتعادل كمية الطاقة المخزنة في بطارية AA. بالإضافة إلى ذلك ، تموت الخلايا بعد ساعة. قال ريو إن التسريبات الصغيرة في الغشاء المحيط بالقطب الكهربي يمكن أن تقتل الخلايا ، أو ربما تموت لأنهم يفقدون الطاقة التي يستخدمونها عادة في عمليات حياتهم. قال ريو إن إحدى الخطوات التالية ستكون تعديل تصميم القطب لإطالة عمر الخلية.

قال ريو إن حصاد الإلكترونات بهذه الطريقة سيكون أكثر كفاءة من حرق الوقود الحيوي ، لأن معظم النباتات التي يتم حرقها للوقود تخزن في النهاية حوالي 3 إلى 6 في المائة فقط من الطاقة الشمسية المتاحة. تتجاوز عمليته الحاجة إلى الاحتراق ، والتي تسخر جزءًا فقط من الطاقة المخزنة للنبات. كان حصاد الإلكترون في هذه الدراسة فعالًا بنسبة 20 بالمائة. قال Ryu أنه يمكن نظريًا الوصول إلى كفاءة بنسبة 100 بالمائة يومًا ما. (تبلغ كفاءة الخلايا الشمسية الكهروضوئية حاليًا حوالي 20 إلى 40 في المائة).

قد تكون الخطوات التالية المحتملة هي استخدام مصنع يحتوي على بلاستيدات خضراء أكبر لمنطقة تجميع أكبر ، وإلكترود أكبر يمكنه التقاط المزيد من الإلكترونات. وقال ريو إنه مع وجود نبات طويل العمر وقدرة أفضل على التجميع ، يمكنهم توسيع نطاق العملية. ريو الآن أستاذ في جامعة يونسي في سيول ، كوريا الجنوبية.

جاء تمويل هذا البحث من مشروع المناخ والطاقة العالمي في جامعة ستانفورد وصندوق أبحاث جامعة يونسي لعام 2009.

المؤلفون الآخرون للورقة هم برينز ، المؤلف الرئيسي سيونج جاي باي ، تيبور فابيان ، راينر ج.فاشينج ، زوبين هوانج وجونج صن بارك ، وجميعهم باحثون في مختبر النماذج الأولية السريع للطاقة والبيولوجيا في جامعة ستانفورد وجيفري موسلي وآرثر غروسمان ، باحثون في قسم بيولوجيا النبات في معهد كارنيجي وقسم الأحياء في ستانفورد.


لماذا كل هذه الأنواع؟

يمكن استخدام مجموعة من المواد (كانت مجرد معادن) كأقطاب كهربائية في البطارية. على مر السنين ، تم تجربة العديد والعديد من التركيبات المختلفة ، ولكن هناك القليل منها فقط الذي قطع المسافة. لكن لماذا نستخدم تركيبات مختلفة من المعادن على أي حال؟ إذا كان لديك زوج من المعادن يعملان معًا بشكل جيد كأقطاب كهربائية ، فلماذا تكلف نفسك عناء العبث مع الآخرين؟

المواد المختلفة لها خواص كهروكيميائية مختلفة ، وبالتالي فإنها تنتج نتائج مختلفة عندما تضعها معًا في خلية بطارية. على سبيل المثال ، ستنتج بعض التوليفات جهدًا عاليًا ، بسرعة كبيرة ، ولكن بعد ذلك تنخفض بسرعة ، غير قادرة على الحفاظ على هذا الجهد لفترة طويلة. يعد هذا أمرًا جيدًا إذا كنت بحاجة إلى إنتاج وميض ضوئي مفاجئ ، على سبيل المثال ، مثل فلاش الكاميرا.

لن ينتج عن التركيبات الأخرى سوى هزيلة من التيار ، لكنها ستحافظ على هذا الهزيلة مستمرة على مر العصور. لسنا بحاجة إلى كمية هائلة من التيار لتشغيل كاشف الدخان ، على سبيل المثال ، لكننا نريد أن تستمر أجهزة كشف الدخان لدينا في العمل لفترة طويلة.

سبب آخر لاستخدام مجموعات مختلفة من المعادن هو أنه غالبًا ما تحتاج خليتا بطارية أو أكثر إلى تكديس للحصول على الجهد المطلوب ، واتضح أن بعض تركيبات الأقطاب الكهربائية تتراكم معًا بشكل أكثر سعادة من التوليفات الأخرى. For example, the lithium iron phosphate batteries (a type of lithium-ion battery) used in electric cars stack together to make high voltage systems (100 or even more volts), but you’d never do that with those NiCad Walkman batteries that get hot!

Our different needs over time have led to the development of a huge array of battery types. To read more about them, and what the future holds for battery power, check out our other Nova topics.