Wie diese riesige Muschel Solarmodule bei weitem übertrifft
Die Riesenmuscheln betreiben selbst zwar keine Photosynthese, beherbergen aber symbiotische Algen auf ihrem Mantel, die die Photosynthese für sie durchführen. Diese Algen, Zooxanthellen genannt, leben in Symbiose mit den Muscheln und liefern durch die Photosynthese Nährstoffe an das Tier. Im Gegenzug bieten die Muscheln eine geschützte Umgebung und Zugang zum Sonnenlicht für die Algen.
Diese Riesenmuscheln besitzen eine ausgeklügelte innere Architektur, bestehend aus vertikalen Säulen, die mit einer dünnen, lichtdiffundierenden Schicht überzogen sind. Laut den Wissenschaftlern könnte diese Anordnung die Muscheln zu den effizientesten Solarkollektorsystemen der Welt machen.
Alison Sweeney, außerordentliche Professorin an der Yale University, erklärt, dass die Muscheln trotz ihrer intensiven Sonneneinstrahlung im Inneren tatsächlich sehr dunkel sind. Diese Eigenschaft ermöglicht eine wesentlich effizientere Sonnenumwandlung als die aktuellen Technologien.
Die in PRX: Energy veröffentlichte Studie beschreibt ein analytisches Modell zur Bestimmung der maximalen Effizienz von photosynthetischen Systemen, basierend auf der Geometrie und den lichtstreuenden Eigenschaften der Muscheln. Diese Forschung ist Teil einer Reihe von Studien, die biologische Mechanismen untersuchen, um neue, nachhaltige Materialien und Designs zu inspirieren.
Die Riesenmuscheln von Palau, deren symbiotische Algen in vertikalen Säulen angeordnet sind, absorbieren das Sonnenlicht, nachdem es von Zellen, die Iridocyten genannt werden, gestreut wurde. Diese Anordnung ermöglicht eine optimale Lichtabsorption, da das Licht gleichmäßig um jede Algensäule verteilt wird.
Credit: Yale University Yale Office of Public Affairs and Communications
Das von Sweeney und ihrem Team entwickelte Modell berücksichtigt auch die adaptativen Verhaltensweisen der Muscheln, wie ihre Fähigkeit, sich je nach Lichtintensität auszudehnen. Diese Anpassung führt zu einer quantenmechanischen Effizienzsteigerung auf 67 %, im Vergleich zu nur 14 % bei natürlichen Systemen wie grünen Blättern in tropischen Umgebungen.
Ein Vergleich wird auch mit borealen Fichtenwäldern angestellt, die ähnliche lichtstreuende Mechanismen und geometrische Eigenschaften wie die Muscheln aufweisen und fast die gleiche quantenmechanische Effizienz erreichen.
Quantenmechanische Effizienz
Die quantenmechanische Effizienz ist eine entscheidende Messgröße in der Photobiologie und der Festkörperphysik. Sie zeigt die Fähigkeit eines Systems, Photonen in Elektronen umzuwandeln. Im Kontext von photosynthetischen Systemen oder Solarmodulen bestimmt diese Messgröße, wie effizient das absorbierte Licht in nutzbare Energie umgewandelt wird.
Genauer gesagt, wird die quantenmechanische Effizienz als das Verhältnis zwischen der Anzahl der in Elektronen umgewandelten Photonen und der Gesamtzahl der auf das System treffenden Photonen definiert. Eine quantenmechanische Effizienz von 67 % bedeutet beispielsweise, dass von 100 empfangenen Photonen 67 in Elektronen umgewandelt werden.
Diese Messgröße ist entscheidend, um die Leistungsfähigkeit von natürlichen und künstlichen Energiesystemen zu beurteilen und zu vergleichen. Im Falle der untersuchten Riesenmuscheln ermöglicht ihre einzigartige Struktur eine deutlich höhere quantenmechanische Effizienz als die aktuellen Technologien und bietet somit Anhaltspunkte zur Verbesserung zukünftiger photovoltaischer Vorrichtungen.