Я задал вопрос на WorldBuilding.SE , «Возможны ли алмазные ягоды?».
Это привело к тому, что на Chemistry.SE был задан вопрос о количестве энергии, необходимой для сжигания 1 карата. алмаз (−6,527 кДж).
Полезный комментатор на WB.SE сказал, что растению потребуется примерно в три раза больше энергии , чтобы по существу обратить вспять процесс с помощью некоторых биологических средств для создания бриллиантовой ягоды. И что мне нужно знать «входную мощность» различных растений, чтобы сравнить их с моим гипотетическим заводом.
Есть ли способ узнать, сколько энергии потребляют различные растения?
Также будет полезна любая другая связанная информация с биологической точки зрения.
Просто предположение о том, могут ли алмазные ягоды существовать или нет. Это не ответ на вопрос «какова скорость поглощения энергии растениями», потому что фактический вопрос, как правило, заключается в том, «может ли растение собрать достаточно энергии для образования алмазов». Скорость поглощения энергии растениями см . в ответе MCM .
Несмотря на то, что энтальпия образования такая же, как теплота, необходимая для разрушения, сжечь алмаз намного проще, чем создать его (я предполагаю, что легче создать высокую температуру, чем высокое давление). Для образования природного алмаза требуется как высокое давление, так и высокая температура. Синтетические алмазы производятся путем химического осаждения из паровой фазы; что также требует высокой температуры. Таких высоких энергий не может произвести ни один известный организм (требуются такие устройства, как дуговая печь), и, кроме того, при этих температурах будет разрушаться биологическая структура.
Однако есть одна возможность алмазных ягод; хотя ягоды не были бы сплошным бриллиантом. Растение может расти в районе, где много наноалмазов (метеоритных камней), которые могут биоаккумулироваться в ягодах. Живые организмы накапливают наночастицы [ 1 , 2 ] . Также проводились исследования биологического применения и эффектов наноалмазов [ 3 , 4 ] . Однако они не будут выглядеть блестящими, как более крупные бриллианты. Сосуды ксилемы у деревьев имеют средний диаметр 30-40 мкм; вполне возможно, что установка может поглощать алмазные частицы большего размера. Плотность алмаза ~3 г/см 3— в три раза больше, чем у воды, и потребуется в три раза больше силы, необходимой воде, чтобы доставить алмаз к месту назначения.
Для сферического алмаза диаметром 20 мкм:
Площадь поперечного сечения = 314,15 мкм 2 Объем = 3351 мкм 3 Масса = 3×3351×10 -12 ≅ 10 -8 г Гравитационная сила на алмазе = 9,8×10 -8 ≅ 10 -7 Н. Давление, необходимое для противодействия гравитации = 10 -7 /314,15 ×10 -12 ≅ 3,18×10 2 Па .
Однако я не уверен, может ли внутри сосуда создаваться такое большое давление и можно ли поднимать таким образом мелкие частицы.
Есть и другая возможность, что более крупные бриллианты инкапсулированы живой тканью (конечно, не плодами).
То, что я думаю, было бы приблизительной оценкой (игнорируя физические/тепловые требования для создания алмаза) TL;DR -- Это около 68 Вт/м 2 , учитывая предостережения ниже. Также:
Отказ от ответственности: это лучший способ, который я мог придумать, чтобы понять это. Это только приблизительная оценка, и ваш уровень желаемой точности потребует более сложных расчетов, чем те, которые я сделал. Не все вычисления, которые я выполнял, явно необходимы, но в то время они были для меня просто лучшим способом обдумать это и могут быть неверными!
Поскольку растения в основном состоят из глюкозы и воды, вы можете найти чистое содержание глюкозы в растении (которое будет сильно различаться, но давайте дадим приблизительную оценку в среднем 90%). Итак, если у вас есть растение весом 10 кг, ~ 1 кг массы будет смесью целлюлозы, крахмала и других материалов.
Для простоты давайте проигнорируем все остальное и сосредоточимся на целлюлозе и крахмале, которые, как мы скажем, составляют 1 кг. И целлюлоза, и крахмал представляют собой конфигурации глюкозы, поэтому у нас есть 1 кг глюкозы.
Согласно Википедии, чистое количество энергии, которое растение тратит на создание биомассы/ фиксацию CO 2 , составляет 3-6% , а преобразование свободной энергии Гиббса CO 2 в глюкозу составляет 114 ккал. Если я правильно подсчитал, это означает, что моль CO 2 на глюкозу для типичного растения потребляет 2280 ккал (или примерно столько, сколько я сжигаю в день, будучи мужчиной ростом 6 футов 4 дюйма).
Итак, сколько молей глюкозы содержится в 1 кг растительной массы глюкозы? Молекулярная масса глюкозы составляет 180,16 г/моль. 1 кг/180,16 г/моль = 5,55 моль глюкозы. Нам не нужно знать, с какого количества молей CO 2 мы начали, потому что мы не ограничены этим; атмосфера обеспечивает весь CO 2 , о котором мы могли бы просить. Мы просто знаем, что у нас есть 5,55 молей глюкозы, и потребовалось 12654 ккал энергии, чтобы преобразовать сколько угодно молей CO 2 в столько же молей глюкозы.
Эти 12654 ккал также эквивалентны 52944,34 кДж энергии. Теперь солнечная постоянная составляет ~1,36 кВт/м 2 ... или (1360 Дж/с)/м 2 . Итак, какая площадь вашего гипотетического завода подвергается воздействию солнца? Квадратный метр не является неразумным количеством для больших комнатных растений, так что давайте просто поработаем с этим.
52944,34 кДж / 1,36 кВт = 38929,66 с = 648,82 мин = 10,8 часов пребывания на солнце для производства 1 кг растительной массы. Некоторые виды бамбука могут расти со скоростью 91 см в день, но я не смог найти источник плотности... но почти 3 фута бамбука определенно могут весить 1 кг.
Оооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооосясясях "поглощает" 1,36кВт/м 2 при воздействии солнечного света. Насколько велика площадь установки, будет определять, сколько энергии она потребляет в целом. Количество энергии, которое растение тратит на производство своей массы, составляет около 3-6%... или около 68 Дж в секунду (68 Вт при использовании 5%) для большого растения с площадью воздействия 1 м 2 .
Ваш бриллиант весом в 1 карат занял бы чуть более полутора минут, если бы на него ушло 100% ресурсов завода по массовому выращиванию.
Конечно, это кажется очень быстрым. Важными предположениями являются то, что растение находится под прямыми солнечными лучами, не ограничено другими факторами (азот на самом деле является основным ограничителем скорости роста, как и фосфор), останавливает для этого всю другую метаболическую активность, направленную на рост, и метаболические процессы для преобразования других форм углерода в алмаз были на 100% эффективны с энергией, которую растение выделило для роста.
На самом деле единственное потенциально «верное» предположение из этого списка состоит в том, что вполне возможно иметь растение с площадью поверхности 1 м 2 , подвергающееся воздействию солнечного света. Все остальное будет лишь частью рабочих предположений.