So you want to use plants to reduce indoor CO₂

Dynomight

所以你想用植物來降低室內的二氧化碳

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人類會製造二氧化碳。二氧化碳對認知能力有害(編按:據稱有時會這樣說)。但植物會把二氧化碳轉回氧氣。而植物是居家佈置的唯一正解。所以或許只要多養一點植物,就能把二氧化碳控制住,讓腦袋保持清醒?

理論上是可行的。實務上大概也勉強可行。但絕對不輕鬆。

人每天大約會產生約 1 公斤的二氧化碳。那相當於每小時約 5.7 × 10²³ 個分子,或 0.948 莫耳。(你可能還記得高中教過,莫耳是一個為了避免到處都是 10²³ 這種係數而發明出來的巨大數字。)簡單起見,我們就當作每小時一莫耳吧。

另一方面,植物透過光合作用把二氧化碳轉成氧氣,也就是這個化學反應:(6 個水分子)+(6 個二氧化碳分子)+(能量)→(1 個葡萄糖分子)+(6 個氧分子)。透過這個反應把 1 莫耳二氧化碳轉換成葡萄糖和氧氣,物理上至少需要約 477 千焦耳的能量。

所以我們已經有了一個下限。假設你有神奇的植物,能以百分之百的效率把所有接收到的能量都用在光合作用上。它們每小時會需要約 477 千焦耳,換算下來就是持續消耗 132.5 瓦。1這比兩顆白熾燈泡的耗電量多一點,好像還不算太糟。

但你沒有神奇的植物。真實的植物是透過一個物理過程來進行光合作用,分成兩個步驟,每個步驟都有四個電子各吸收一個光子。也就是說,每個二氧化碳分子需要八個光子。如果你想把燈光調到效率最高,應該讓每個光子剛好帶有激發電子所需的最低能量,也就是約 1.8 電子伏特。這相當於波長 680 奈米的純紅光,持續消耗為 386 瓦。2任何使用葉綠體的物理系統,都不可能用比這更少的能量來中和你產生的二氧化碳。是有點高,但還算可以應付。

但你家裡的觀葉植物不可能抓住每一個打到它身上的光子,並全部導向光合作用。實際上,約有 30% 的光子會被反射、穿透過去,或是打在葉綠體以外的部位。這就讓需求增加到 551 瓦。3

還有另一個問題。植物製造出葡萄糖之後,會怎麼樣呢?有一部分會用來長出更多植物組織,把碳永久封存在植物體內。但也有很多會被植物為了維持生命等日常運作而消耗掉,又把碳釋放回空氣中。實際消耗的比例會因物種和環境而異,但抓 40% 左右的損耗算是合理,4這就讓需求來到 918 瓦。5

這樣聽起來好像還沒那麼糟。但你有想過跟 918 瓦的純紅光待在同一個房間是什麼感覺嗎?就輻射功率來說,這相當於約 765 顆白熾燈泡產生的光。6現代的 LED 植物燈效率約 50%,表示你實際上得花上約 1836 瓦。如果你想像的是肉眼看得見的植物,還得再往上加,因為有很多光會散失到房間裡。如果你不想過著全紅光的生活、而想用一般頻率的光,那 LED 燈泡發光效率會更低,植物捕捉光的效率也會更低。務實來估,大概需要 5,000 到 10,000 瓦,其中大部分都會以熱的形式散失到房間裡。想像一下有五台電暖器同時對著你全速運轉的感覺。

但或許你不介意住在日曬機裡。或者你會把植物放在一個完美反射的密閉空間裡。又或者你家有玻璃天花板,有無限免費的陽光和免費的空調。那也不錯。但你是不是忘了你的老朋友——光合作用光子通量密度?

植物沒辦法無限吸收光線。葉綠體在吸收下一個光子之前,需要時間「重置」。你養的蕨類每平方公尺的葉面積大約只能吸收約 52 瓦的能量每平方公尺的葉面積。7所以不管你能產生多少光,如果想中和你製造的二氧化碳,你至少需要 918 / 52 = 17.6 平方公尺的蕨類葉片。想像一面 4.2 公尺見方的牆,密密麻麻塞滿蕨類。如果中間有任何空隙、莖、土壤或牆面露出,就還得更大。這已經是絕對的最低限度。

但或許這樣聽起來還是可以接受?好吧。但還有最後一道障礙要考慮:植物必須遵守物理定律[來源請求]。如果它們從空氣中移除了碳,就必須把碳放到某個地方。除了釋放回空氣之外,唯一能去的地方就是植物本身。

你每天產生的 1 公斤二氧化碳,相當於 273 公克的元素碳。植物要藏住這些碳,唯一的辦法就是長出更多植物組織。但乾燥的植物組織只有約 50% 是碳,而且每 1 公克乾重,植物體內就有 5-10 公克的水(依物種差異很大)。所以為了封存你製造的所有碳,你每天大約需要種出

(1 公斤二氧化碳)
× (0.273 公斤元素碳 / 公斤二氧化碳)
× (2 公斤乾重植物 / 公斤元素碳)
× (8.5 公斤實際植物 / 公斤乾重植物)
= 4.6 公斤實際植物。

你的花園必須每天都長出這麼多。一個月就是 140 公斤。你必須把這些全部修剪掉、拿到外面丟棄,否則你的花園根本沒有真正封存任何東西。

總結來說:

  1. 蓋一座工業級的室內農場。
  2. 秤重。
  3. 等兩個禮拜。
  4. 再秤一次。
  5. 把增加的重量除以你自己的體重。
  6. 那就是你從環境中移除的二氧化碳比例。
  7. 把窗戶打開吧。
  1. 見證 算術的威力:

    (1 莫耳 CO₂ / 小時)
    × (477 千焦耳 / 莫耳 CO₂)
    = 132.5 瓦。

  2. 再次運用單位的威力:

    (1 莫耳 CO₂ / 小時)
    × (8 光子 / CO₂ 分子)
    × (1.8 電子伏特 / 光子)
    = 385.94 瓦

    所以葉綠體把光能轉換為光合作用的效率,最高約為 34%(132.5 / 385.94)。

  3. 我覺得 30% 這個數字低得驚人。(演化幹得好。)而且或許還應該更低一點。首先,30% 這個數字是來自過濾到 400-700 奈米範圍的陽光。如果你用的是純 680 奈米的光,吸收率應該會再高一些。此外,如果光子是被葉綠體以外的部位吸收,就會變成熱而浪費掉。但如果是被反射或穿透過去,就還有可能打到另一株植物上(前提是你周圍有很多植物)。如果你真的有純 680 奈米的光,而且植物非常密集,或許可以把這個比例降到 10-20%。

  4. 維基百科引用的數字是,單是葉片本身的呼吸作用就會損耗 35–45%。但這篇論文顯示,依物種和生長速率不同,數字範圍從 30% 到 56% 不等。

  5. 我估算的整體效率是 132.5 瓦 / 918 瓦 ≈ 14.4%。如果你去看維基百科,它估計在陽光下理想葉片的效率只有約 5.4%。這是因為陽光包含很寬的波長範圍,而我的計算假設的是理想的 680 奈米光源。陽光中約有 47% 落在 400-700 奈米範圍之外,而在該範圍內,又有約 24% 因為較高能量的光子以熱的形式浪費掉而損失。如果把這些算進去,我的估計就會變成 14.4% × (1-0.47) × (1-0.24) = 5.8%,已經夠接近、可以交差了。

  6. 傳統標示「60 瓦」的白熾燈泡,額定的是輸入功率。但其中只有約 2% 的能量真的轉換成光。所以 918 瓦的純紅光,並不是 918 / 60 = 15.3 顆燈泡就能產生。而是 918 / 60 / 0.02 = 765 顆燈泡才有的量。話說回來,你的眼睛對 680 奈米的光並不是很敏感,所以實際感覺到的照度倒不會那麼誇張。

  7. 植物的飽和點通常以 300 μmol/m²/s 為單位來表示。這是指每平方公尺葉片、每秒能吸收的光子數(以微莫耳計)。一個典型的耐陰室內植物,數值大約就是 300 μmol/m²/s。如果我們再次假設光是 680 奈米、每個光子帶有 1.8 電子伏特的能量,那麼約 300 微莫耳的光子就帶有 51.92 焦耳的能量。也就是每平方公尺葉面積 51.92 焦耳的能量,即 52 瓦。

本文章由 muse-spark-1.2-contributor 進行翻譯

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