Ich habe auf WorldBuilding.SE eine Frage gestellt : "Sind Diamantbeeren möglich?".
Dies führte dazu, dass auf Chemistry.SE eine Frage nach der Energiemenge gestellt wurde, die zum Verbrennen eines 1 ct. Diamant (–6,527 kJ).
Der hilfreiche Kommentator auf WB.SE sagte, dass eine Pflanze ungefähr dreimal so viel Energie benötigen würde , um den Prozess durch biologische Mittel im Wesentlichen umzukehren, um die Diamantbeere zu erzeugen. Und dass ich die "Leistungsaufnahme" verschiedener Anlagen kennen müsste, um sie mit meiner hypothetischen Anlage zu vergleichen.
Gibt es eine Möglichkeit herauszufinden, wie viel Energie verschiedene Pflanzen aufnehmen?
Auch alle anderen verwandten Informationen aus biologischer Sicht wären hilfreich.
Nur eine Spekulation darüber, ob Diamantbeeren existieren könnten oder nicht. Dies ist keine Antwort auf "wie hoch ist die Energieaufnahmerate von Pflanzen", denn die eigentliche Frage ist eher "ob eine Pflanze genug Energie sammeln kann, um Diamanten zu bilden". Informationen zur Energieaufnahmerate von Pflanzen finden Sie in der Antwort von MCM .
Obwohl die Bildungsenthalpie dieselbe ist wie die für die Zerstörung erforderliche Wärme, ist das Brennen eines Diamanten viel einfacher als das Erzeugen (ich nehme an, es ist einfacher, hohe Temperaturen im Vergleich zu hohem Druck zu erzeugen). Naturdiamant erfordert sowohl hohen Druck als auch hohe Temperatur, um sich zu bilden. Synthetische Diamanten werden durch chemische Dampfabscheidung hergestellt; das erfordert auch hohe Temperatur. Solche hohen Energien können von keinem bekannten Organismus erzeugt werden (erfordert Geräte wie einen Lichtbogenofen), und außerdem wird bei diesen Temperaturen die biologische Struktur zerfallen.
Es gibt jedoch eine Möglichkeit von Diamantbeeren; Die Beeren wären jedoch kein solider Diamant. Eine Pflanze könnte in einem Gebiet wachsen, in dem es viele Nanodiamanten (Meteoritengestein) gibt, die in den Beeren bioakkumuliert werden könnten. Lebende Organismen reichern Nanopartikel an [ 1 , 2 ] . Auch zur biologischen Anwendung und Wirkung von Nanodiamanten gibt es Studien [ 3 , 4 ] . Diese würden jedoch nicht wie größere Diamanten glänzend aussehen. Xylemgefäße in Bäumen haben einen mittleren Durchmesser von 30-40 µm; Es ist möglich, dass die Pflanze größere Diamantpartikel aufnehmen kann. Die Dichte des Diamanten beträgt ~3 g/cm 3– dreimal so viel wie Wasser und es würde dreimal so viel Kraft erfordern, wie Wasser benötigt, um Diamanten ans Ziel zu bringen.
Für einen kugelförmigen Diamanten mit einem Durchmesser von 20 µm:
Querschnittsfläche = 314,15 &mgr;m 2 Volumen = 3351 &mgr;m 3 Masse = 3 × 3351 × 10 –12 ≅ 10 –8 g Gravitationskraft auf den Diamanten = 9,8×10 -8 ≅ 10 -7 N Erforderlicher Druck, um der Schwerkraft entgegenzuwirken = 10 –7 /314,15 × 10 –12 ≅ 3,18 × 10 2 Pa
Ich bin mir jedoch nicht sicher, ob in einem Gefäß so viel Druck erzeugt werden kann und ob kleine Partikel so angehoben werden können.
Es gibt eine andere Möglichkeit, dass größere Diamanten von lebendem Gewebe eingekapselt sind (natürlich nicht von den Früchten).
Was ich denke, wäre eine grobe Schätzung (ohne Berücksichtigung der physikalischen/thermischen Anforderungen für die Diamantherstellung) TL;DR – Angesichts der folgenden Einschränkungen sind es etwa 68 W/m 2 . Ebenfalls:
Haftungsausschluss: Dies ist der beste Weg, den ich mir vorstellen kann, um es herauszufinden. Es ist nur eine grobe Schätzung, und Ihr Grad an gewünschter Genauigkeit wird kompliziertere Berechnungen einführen als die, die ich durchgeführt habe. Nicht alle von mir durchgeführten Berechnungen sind explizit notwendig, sondern waren für mich damals einfach die beste Art, mich darum zu kümmern, und können falsch sein!
Da Pflanzen hauptsächlich aus Glukose und Wasser bestehen, können Sie den Netto-Glukosegehalt der Pflanze ermitteln (der stark variieren wird – aber lassen Sie uns eine grobe Schätzung von 90 % als Durchschnitt geben). Wenn Sie also eine 10-kg-Pflanze haben, ist ~ 1 kg der Masse eine Mischung aus Zellulose, Stärke und anderem Zeug.
Lassen Sie uns der Einfachheit halber die anderen Dinge ignorieren und uns auf die Zellulose und Stärke konzentrieren, von denen wir sagen, dass sie das 1 kg ausmachen. Sowohl Zellulose als auch Stärke sind Glukosekonfigurationen, also haben wir 1 kg Glukose.
Laut Wikipedia beträgt die Nettoenergiemenge, die eine Pflanze für den Aufbau von Biomasse/CO 2 -Fixierung aufwendet, 3–6 % , und die Gibbs-freie Energieumwandlung von CO 2 in Glukose beträgt 114 kcal. Wenn ich richtig gerechnet habe, bedeutet das, dass ein Mol CO 2 zu Glukose für eine typische Pflanze 2280 kcal verbraucht (oder ungefähr das, was ich als 6 Fuß 4 Zoll Mann an einem Tag verbrenne).
Also, wie viele Mol Glucose sind in unserer 1 kg Glucose-Pflanzenmasse? Die Molekülmasse von Glukose beträgt 180,16 g/mol. 1 kg/180,16 g/mol = 5,55 mol Glukose. Wir müssen nicht wissen, mit wie vielen Mol CO 2 wir angefangen haben, weil wir dort nicht begrenzt sind; die Atmosphäre liefert all das CO 2 , das wir uns wünschen können. Wir wissen nur, dass wir 5,55 Mol Glukose haben, und es brauchte 12654 kcal Energie, um so viele Mol CO 2 in so viele Mol Glukose umzuwandeln.
Diese 12654 kcal entsprechen auch 52944,34 kJ Energie. Nun beträgt die Solarkonstante ~1,36 kW/m 2 ... oder (1360 J/s)/m 2 . Wie viel Fläche Ihrer hypothetischen Pflanze ist also der Sonne ausgesetzt? Ein Quadratmeter ist keine unangemessene Menge für größere Zimmerpflanzen, also lassen Sie uns einfach damit arbeiten.
52944,34 kJ / 1,36 kW = 38929,66 s = 648,82 min = 10,8 Stunden Sonneneinstrahlung, um 1 kg Pflanzenmasse zu produzieren. Einige Bambusarten können 91 cm pro Tag wachsen, aber ich konnte keine Quelle für die Dichte finden ... aber fast 3 Fuß Bambus könnten definitiv 1 kg wiegen.
Sooooooo... Pflanzen nehmen 1,36 kW/m 2 auf, wenn sie dem Sonnenlicht ausgesetzt sind. Wie groß die Fläche der Anlage ist, bestimmt, wie viel Energie sie insgesamt aufnimmt. Wie viel Energie eine Pflanze für die Herstellung ihrer Masse aufwendet, beträgt etwa 3-6 % ... oder etwa 68 Joule pro Sekunde (68 Watt bei 5 %) für eine große Pflanze mit 1 m 2 exponierter Fläche.
Ihr 1-Karat-Diamant würde etwas mehr als anderthalb Minuten brauchen, wenn 100 % der Massenanbauressourcen der Pflanze darin stecken würden.
Das scheint natürlich sehr schnell zu sein. Die wichtigen Annahmen sind, dass die Pflanze direktem Sonnenlicht ausgesetzt ist, nicht durch andere Faktoren eingeschränkt wird (Stickstoff ist tatsächlich ein Hauptbegrenzer der Wachstumsrate, ebenso wie Phosphor), alle anderen wachstumsorientierten Stoffwechselaktivitäten stoppt, um dies zu tun, und Die Stoffwechselprozesse für die Umwandlung anderer Kohlenstoffformen in Diamant waren zu 100 % effizient mit der Energie, die die Pflanze für das Wachstum abgrenzte.
In Wirklichkeit ist die einzige potenziell "wahre" Annahme aus dieser Liste, dass es durchaus möglich ist, eine Pflanze mit 1 m 2 Oberfläche dem Sonnenlicht auszusetzen. Alles andere wird nur ein Bruchteil dessen sein, was die Arbeitsannahmen sind.