観葉植物で室内のCO₂を減らしたい?
原文は Dynomight により に公開されました。 このブログを購読する
人間は二酸化炭素を排出する。二酸化炭素は(追記:ときに認知機能に悪いと主張される)物質だ。だが植物は二酸化炭素を酸素に戻してくれる。そして植物は、唯一正しいインテリアの戦略でもある。ならば、植物をたくさん置けば二酸化炭素を抑えて頭の働きを保てるのではないか?
理論上は可能だ。実際にも、おそらくギリギリ可能だろう。だが、簡単ではない。
人は1日に約1キログラムの二酸化炭素を排出する。これは約5.7×10²³分子、すなわち1時間あたり0.948モルに相当する。(高校で習ったのを覚えているかもしれないが、モルとは、10²³といった係数をいちいち書かずに済むように作られた、とてつもなく大きな数のことだ。)話を簡単にするために、1時間あたり1モルとしよう。
一方、植物は光合成によって二酸化炭素を酸素に変える。すなわち、(水分子6個)+(二酸化炭素分子6個)+(エネルギー)→(グルコース分子1個)+(酸素分子6個)という化学反応だ。この反応で二酸化炭素1モルをグルコースと酸素に変換するのに物理的に必要な最小エネルギーは、約477キロジュールである。
これで下限がわかった。仮に、入ってくるエネルギーをすべて完璧な効率で光合成に注ぎ込む魔法の植物があったとしよう。1時間あたり約477キロジュールが必要で、これは連続で132.5ワットに相当する。1白熱電球2個分より少し多い程度で、そこまで悪くない。
だが、あなたは魔法の植物を持っていない。実際の植物は、2段階からなる物理的プロセスで光合成を行う。各段階で4つの電子がそれぞれ光子を吸収する。つまり、二酸化炭素分子1個あたり8個の光子が必要になる。効率を最大化するように照明を調整するなら、各光子に電子を励起するのに必要な最小限のエネルギーをちょうど与えればよく、それが約1.8eVだ。これは波長680nmの純粋な赤色光に相当し、連続で386ワットの消費になる。2葉緑体を使う物理的システムで、これより少ないエネルギーであなたのCO₂を中和することは不可能だ。やや高いが、まだなんとかなる範囲ではある。
しかし、あなたの観葉植物が当たった光子をすべて捉えて光合成に回せるわけではない。実際には、光子の約30%は植物に反射されたり、通り抜けたり、葉緑体以外の部分に当たったりする。これで551ワットになる。3
さらにもう一つ問題がある。植物がグルコースを作った後、それはどうなるのか?一部は植物自体の成長に使われ、これは環境から炭素を恒久的に隔離することになる。しかし多くは、植物が生きていくための活動で燃焼され、炭素は再び空気中に放出される。このように燃焼される正確な量は種や条件によって異なるが、約40%が失われると考えるのが妥当で、4これで918ワットになる。5
そこまでひどくは聞こえないかもしれない。だが、918ワットの純粋な赤い光と同じ部屋で暮らすことを想像したことがあるだろうか?放射パワーでいえば、これは約765個の白熱電球が生み出すのと同じだ。6現代のLED植物育成ライトでも効率は約50%なので、実際には約1836ワットを消費することになる。実際に目で見える植物を想像しているなら、部屋に逃げる光の分をさらに上乗せしなければならない。そして赤一色の生活ではなく通常の光の周波数を使いたいなら、LED電球の発光効率は下がり、植物の光の捕捉効率も下がる。現実的には、5,000〜10,000ワットといったところで、そのほとんどは熱として部屋に失われる。5台の電気ストーブが常に全開であなたを照りつけているところを想像してほしい。
でも、日焼けマシンの中で暮らすのが平気なのかもしれない。あるいは、植物を完全な反射チャンバーに入れておくつもりかもしれない。あるいは、家にガラスの天井があって、無限の無料の太陽光と無料の空調があるのかもしれない。それはそれで結構だ。だが、古い友人である光合成光量子束密度のことを忘れてはいないだろうか?
植物は無限に光を吸収できるわけではない。葉緑体は次の光子を吸収する前に「リセット」する時間が必要だ。あなたの愛しのシダは、葉の表面積1平方メートルあたり約52ワットのエネルギーしか吸収できない。7つまり、どれだけ光を生み出せたとしても、自分の出す二酸化炭素を中和したいなら、少なくとも918 / 52 = 17.6平方メートルのシダの葉が必要になる。一辺4.2メートルの壁がシダで隙間なく埋め尽くされているところを想像してほしい。隙間や茎、土、壁が見えている部分があれば、さらに大きくする必要がある。これが絶対的な最小値だ。
でも、それでもまだいけそうに思える?結構だ。では最後の壁を考えてみよう。植物は物理法則に従うのだ[要出典]。もし空気中から炭素を取り除くのなら、その炭素をどこかに置かなければならない。空気中に戻る以外に行ける場所は、植物自身の中だけだ。
あなたが1日に排出する1kgの二酸化炭素は、273グラムの炭素単体に相当する。植物がそれを隠す唯一の方法は、より多くの植物自体を作ることだ。しかし、乾燥した植物体の炭素含有率は約50%に過ぎず、乾燥重量1グラムあたり、植物は5〜10グラムの水を抱えている(種によって大きく異なる)。したがって、あなたが生み出す炭素をすべて隔離するには、毎日およそこれだけ成長させる必要がある。
(二酸化炭素1kg)
× (0.273kg 炭素単体 / kg 二酸化炭素)
× (2kg 乾燥植物 / kg 炭素単体)
× (8.5kg 実際の植物 / kg 乾燥植物)
= 4.6kg 実際の植物
あなたの庭は、毎日それだけ成長しなければならない。1ヶ月にして140kgだ。そのすべてを剪定して外に捨てなければ、庭は実際には何も隔離していないことになる。
最後にまとめると:
- 産業用の屋内農場を作る。
- 重さを量る。
- 2週間待つ。
- もう一度重さを量る。
- 増えた重量を自分の体重で割る。
- それが、あなたが環境から除去しているCO₂の割合だ。
- 窓を開ける。
(二酸化炭素1モル / 時間)
× (477kJ / モル 二酸化炭素)
= 132.5ワット ↩再び単位の力を借りると:
(二酸化炭素1モル / 時間)
× (8光子 / 二酸化炭素分子)
× (1.8eV / 光子)
= 385.94ワットつまり葉緑体が光のエネルギーを光合成に注ぎ込む効率は、最大でも約34%(132.5 / 385.94)だ。↩
この30%という数字が驚くほど低いことに驚いている。(よくやった、進化よ。)そしてもしかすると、もう少し低くてもいいのかもしれない。というのも、この30%という数値は400〜700nmの範囲にフィルタリングされた太陽光に基づいているからだ。もし純粋な680nmの光なら、吸収率はもう少し高くなるはずだ。また、光子が葉緑体以外の植物の部分に吸収されれば、それは熱になってエネルギーは失われる。だが、反射されたり植物を透過したりした光子なら、(十分に植物が密集していれば)別の植物に当たる可能性がある。もし本当に純粋な680nmの光があり、植物が非常に密集していれば、10〜20%程度まで下げられるかもしれない。↩
Wikipediaでは、葉自体の呼吸だけで35〜45%の損失があるとされている。だが、こちらの論文では、種や成長速度によって30%から56%までの数値が示されている。↩
私は全体の効率を132.5ワット / 918ワット ≒ 14.4%と見積もっている。Wikipediaを見ると、太陽光での理想的な葉の効率はわずか5.4%程度とされている。これは、太陽光が幅広い波長帯を含んでおり、私の計算が理想的な680nmの光源を前提にしているためだ。約47%は400〜700nmの範囲外にあり、その範囲内でも、エネルギーが熱として無駄になる高エネルギーの光子によって約24%が失われる。それを考慮すると、私の見積もりは14.4% × (1-0.47) × (1-0.24) = 5.8%となり、誤差の範囲と言える。↩
従来の「60ワット」白熱電球は、入力電力に基づいて定格表示されている。しかし、そのエネルギーのうち実際に光に変換されるのはわずか約2%だ。つまり918ワットの純粋な赤色光は、918 / 60 = 15.3個分の電球で得られるわけではない。918 / 60 / 0.02 = 765個分の電球で得られるのだ。とはいえ、人間の目は680nmの光にはあまり敏感ではないので、体感上の照度(ルクス)はそこまでひどくはならない。↩
植物の飽和点は通常、300μmol/m²/sという単位で示される。これは、葉1平方メートルあたり、1秒あたりに吸収できる光子の数(マイクロモル単位)だ。耐陰性のある一般的な観葉植物の典型的な値は約300μmol/m²/sである。ここでも光が680nmで各光子が1.8eVのエネルギーを持つと仮定すると、約300μmolの光子は51.92ジュールを運ぶことになる。これは葉の表面1平方メートルあたり51.92ジュール、すなわち52ワットということだ。↩
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