想靠植物来降低室内二氧化碳?
人会产生二氧化碳。二氧化碳(编辑注:有时据说)对认知有害。但植物能把二氧化碳重新变成氧气。而植物是唯一正确的家居装饰方案。所以,要是多养些植物,是不是就能控制住二氧化碳,让大脑保持正常运转?
理论上可行。实践中大概也勉强可行。但绝不容易。
人每天大约产生1千克二氧化碳。相当于每小时约5.7×10²³个分子,也就是0.948摩尔。(你可能还记得高中学过的,摩尔就是为了避免到处写10²³而人为定义的一个巨大数字。)为简单起见,就按每小时1摩尔来算吧。
与此同时,植物通过光合作用把二氧化碳转化为氧气,也就是这个化学反应:(6个水分子)+(6个二氧化碳分子)+(能量)→(1个葡萄糖分子)+(6个氧气分子)。按这个反应,把1摩尔二氧化碳转化为葡萄糖和氧气,在物理上至少需要约477千焦的能量。
这样我们就已经得到了一个下限。假设你有一种神奇的植物,能以完美的效率把所有接收到的能量都用于光合作用,那它每小时需要约477千焦,换算成持续功率就是132.5瓦。1这比两盏白炽灯的功耗稍高一点,倒也不算太糟。
但你并没有这种神奇的植物。真实植物的光合作用是通过一个分两步的物理过程完成的,每一步都需要4个电子各吸收一个光子。也就是说,每个二氧化碳分子需要8个光子。如果你想把光源调到最高效率,就应该让每个光子恰好携带激发电子所需的最低能量,也就是约1.8电子伏特。这相当于波长680纳米的纯红光,持续功率为386瓦。2任何利用叶绿体的物理系统,都不可能用比这更低的功耗来中和你产生的二氧化碳。有点高,但还在可承受范围内。
但你家的盆栽不可能抓住每一个照到它身上的光子并用于光合作用。实际上,约30%的光子会被反射、穿透过去,或是照到叶绿体以外的部位。这就把功率提高到了551瓦。3
还有一个问题。植物制造出葡萄糖之后会怎么样?一部分会用于长出更多的植物组织,从而把碳永久地固定下来。但也有很大一部分会被植物自身为维持生命而消耗掉,又把碳释放回空气中。具体有多少以这种方式被消耗掉,因物种和条件而异,但按40%左右的损耗来算是合理的,4这样就上升到了918瓦。5
听起来好像没那么糟。但你想过和918瓦的纯红光待在同一个房间里是什么感觉吗?按辐射功率算,这相当于约765盏白炽灯同时发出的光。6现代LED植物生长灯的效率约为50%,意味着你实际需要消耗约1836瓦。如果你还想看得见这些植物,就得为散失到房间里的光再往上加。而如果你不想过那种全红光的生活、想用普通光谱,那LED的发光效率会更低,植物对光的捕获效率也会更低。现实一点说,我们谈论的是5000到10000瓦左右,其中大部分都以热量的形式散失到房间里。想象一下,五台电暖器同时对着你全功率运转。
但也许你不介意住在日光浴室里。或者你会把植物放在一个完美反光的密闭舱里。又或者你家有个玻璃天花板,有取之不尽的免费阳光和免费的温控。那也挺好。但你是不是忘了你的老朋友——光合光子通量密度?
植物不能无限地吸收光。叶绿体在吸收下一批光子之前需要时间来“重置”。你养的蕨类每平方米叶面积最多只能吸收约52瓦的能量。7所以不管你能产生多少光,如果想中和自己产生的二氧化碳,就至少需要918/52=17.6平方米的蕨类叶片。想象一面4.2米见方的墙,密密麻麻全铺满蕨类。如果中间有任何空隙、茎秆、土壤或墙面露出来,面积还得更大。这已经是绝对的最低值。
但也许这听起来仍然可以接受?好吧。但还有最后一道障碍要考虑:植物也得遵守物理定律[需要引用]。如果它们从空气中移除了碳,就必须把这些碳放到某个地方。除了回到空气中,唯一的去处就是植物本身。
你每天产生的1千克二氧化碳相当于273克单质碳。植物要藏住这些碳,唯一的办法就是长出更多的植物组织。但干植物物质中只有约50%是碳,而且每1克干物质,植物体内就有5-10克水(不同物种差异很大)。所以要固定你产生的所有碳,每天大约需要长出
(1千克二氧化碳)
× (0.273千克单质碳/千克二氧化碳)
× (2千克干植物/千克单质碳)
× (8.5千克实际植物/千克干植物)
= 4.6千克实际植物。
你的花园必须每天都长出这么多。一个月就是140千克。你必须把多长出来的部分全部修剪掉并扔到外面,否则你的花园根本没有实现任何固碳。
结论如下:
- 建一个工业化的室内农场。
- 称一下它的重量。
- 等两周。
- 再称一次。
- 用增加的重量除以你自己的体重。
- 这就是你从环境中去除的二氧化碳所占的比例。
- 打开窗户。
(1摩尔二氧化碳/小时)
× (477千焦/摩尔二氧化碳)
= 132.5瓦。↩再一次运用单位的力量:
(1摩尔二氧化碳/小时)
× (8个光子/二氧化碳分子)
× (1.8电子伏特/光子)
= 385.94瓦所以叶绿体把光能转化为光合作用能量的效率最高约为34%(132.5/385.94)。↩
我觉得这个30%的数字已经低得惊人了。(干得漂亮,进化。)而且或许还应该更低一些。一方面,这个30%的数字来自经过400-700纳米过滤后的太阳光。如果你用的是纯680纳米的光,吸收率应该会更高一些。另外,如果光子被植物中叶绿体以外的部分吸收,就会变成热量,能量就浪费了。但如果光子是被反射或穿透过去,那它们还有可能去照到另一株植物(前提是你周围有很多植物)。如果你真的用纯680纳米的光,而且植物堆得非常密集,也许可以把这个损耗降到10-20%。↩
维基百科称,仅叶片自身的呼吸作用就会造成35–45%的损耗。但这篇论文显示,根据物种和生长速率的不同,这一数值在30%到56%之间。↩
我估算的总体效率为132.5瓦/918瓦≈14.4%。而维基百科估算,在太阳光下理想叶片的效率仅为5.4%左右。这是因为太阳光包含很宽的波段,而我的计算假设的是理想的680纳米光源。约47%的光落在400-700纳米范围之外,在该范围之内,又有约24%因高能光子的能量以热的形式浪费而损失。如果把这些考虑进去,我的估算就变成了14.4%×(1-0.47)×(1-0.24)=5.8%,已经相当接近了。↩
一盏传统的“60瓦”白炽灯是按输入功率标称的。但其中只有约2%的能量真正转化成了光。所以918瓦的纯红光,并不是918/60=15.3盏灯泡就能产生的。而是需要918/60/0.02=765盏灯泡。话说回来,人眼对680纳米的光并不敏感,所以实际感受到的照度倒不会那么夸张。↩
植物的光饱和点通常以300微摩尔/平方米/秒为单位给出。这指的是每平方米叶面积每秒可吸收的光子数(以微摩尔计)。对一种耐阴的室内植物来说,典型值约为300微摩尔/平方米/秒。如果再次假设光为680纳米、每个光子携带1.8电子伏特能量,那么约300微摩尔的光子就携带51.92焦耳的能量。也就是说,每平方米叶面积对应51.92焦耳的能量,即52瓦。↩
随机一篇博客
评论
登录后参与讨论