Zwerge vom Typ M strahlen eine Menge elektromagnetischer Energie aus

Die Oberfläche eines Sterns vom Typ M ist im Allgemeinen ziemlich heiß . Ein M0V-Stern hat eine effektive Oberflächentemperatur von 3800 K bei 7,2 % der Sonnenleuchtkraft; Ein M9V hat eine Temperatur von 2300 K und eine Leuchtkraft von 0,015 %.

Nehmen wir an, wir haben es mit einem M4V-Stern bei 3000 K zu tun, wie in der obigen Grafik dargestellt. Die maximale Bestrahlungsstärke liegt bei etwa 800–1000 nm bei etwa 6 % dessen, was wir von der Sonne sehen. Niedriger bei etwa 700 nm erhalten wir möglicherweise 4 % dessen, was wir von der Sonne sehen.

Das auf Meereshöhe sichtbare Sonnenspektrum wird durch die Absorption der Atmosphäre beeinflusst.

Sie können sehen, dass es genau in der Mitte unseres gewünschten Bereichs eine unglückliche Wasserabsorptionsbande gibt, aber Wellenlängen bei etwa 850 nm und 1000 nm sind gut. Auch der Bereich um 700nm wäre sinnvoll.

Wenn wir eine 25 nm breite Bandbreite um 700 nm, 850 nm und 1000 nm integrieren, erhalten wir angesichts der in der Erdatmosphäre beobachteten Absorptionsverhältnisse und multipliziert mit 4 %, 6 % und 6 % eine einfallende Strahlung von 1,2 W/m$^2$, 1,4 W/m$^2$und 1,0 W/m$^2$.

Diese Zahlen sind Einfallsenergien in potentiellen photosynthetischen Bändern. Vergleichen Sie sie mit etwa 100 W/m$^2$mittlere Sonnentageseinstrahlung in den Tropen im photosynthetisch aktiven Bereich.

Pflanzen könnten Energie in diesen Wellenlängen nutzen

Insbesondere gibt es Pigmente zum Einfangen von Licht im nahen Infrarotbereich bei 700 nm. Chloropyll-d und Chloropyll-f werden beide in dieser Region absorbiert. Es ist durchaus möglich, dass Pflanzen, die sich auf dieser Welt entwickelt haben, eine akzessorische Pigmentspezialisierung im nahen Infrarotband entwickeln, genauso wie Tiefwasserpflanzen auf der Erde Pigmente haben, die sich auf das grüne und gelbe Band spezialisieren.

Insbesondere ist es wichtig zu beachten, dass das Chlorophyll der Pflanze und die Augen der Tiere beide das energiereichste Lichtband verwenden. Auf der Erde ist das der „sichtbare“ Lichtbereich, obwohl dieser Bereich nichts Besonderes ist. Bei einem Zwerg vom Typ M wäre es vernünftig, dass der „sichtbare“ Bereich, den alle Kreaturen verwenden, 700-1000 nm beträgt.

Wenn Pflanzen die drei oben genannten Bänder nutzen, haben sie etwa 5 % der ihnen zur Verfügung stehenden Energie im Vergleich zu der auf der Erde verfügbaren Energie.

Das lässt sich gut mit einer Wärmekraftmaschine vergleichen

Ihre vorgeschlagene Alternative ist die Verwendung einer Art Wärmekraftmaschine zur Energieerzeugung. Die maximale theoretische Energieerzeugung einer reversiblen Reaktion (was Ihre chemische Reaktion zu sein scheint) ist durch die Carnot-Effizienz begrenzt

Nehmen wir an, dass die Anlage die gesamte Energiedifferenz zwischen Wasser bei 300K und 280K nutzen kann. Die spezifische Wärme von Wasser beträgt 4,184 kJ/kg; 1 kg Wasser hat also 84 kJ Energie oder 13 kJ/kg bei 15 % Wirkungsgrad.

Vergleich

Einer Pflanze auf einer Roten-Zwerg-Welt stehen pro Minute und Quadratmeter Oberfläche etwa 0,7 W als Glukose erzeugte Energie zur Verfügung. Diese Energie hat einen auf der Erde etablierten Weg zur Nutzung; die Photosynthesewege existieren, die Pigmente für zumindest einige der Frequenzbänder existieren, und es ist vernünftig anzunehmen, dass das Leben optimierte Pigmente entwickeln würde.

Lassen Sie uns einige praktische Effizienzannahmen für die Anlage unter Verwendung einer Wärmekraftmaschinenmethode treffen.

• Die Anlage muss ein „heißes“ Reservoir 20 K über der „kalten“ Reservoirumgebung speichern. Nehmen wir an, die Anlage muss das Arbeitsmedium mit 20 % Wirkungsgrad gegen 1 Meter Förderhöhe „pumpen“, um die Reservoirs getrennt zu halten. Das ergibt etwa 50 J pro kg, die übertragen werden müssen.

• Die Anlage verliert 50 % der gespeicherten Wärmeenergie durch Wärmeübertragung.

• Anstelle von 15 % Carnot-Effizienz kann die Anlage 0,5 % der verfügbaren Wärmeenergie durch ATP absorbiert bekommen. Ein thermoelektrischer Generator hat einen Wirkungsgrad von 5 %; Beachten Sie jedoch, dass Solarenergie 10-mal effizienter ist als die Photosynthese, sodass 0,5 % eine vernünftige Schätzung zu sein scheinen.

• Diese Pflanze hat die gleiche ATP-zu-Glukose-Effizienz von ~30 $ wie Pflanzen auf der Erde.

Die Energieabgabe beläuft sich auf 63 J pro Kilogramm; abzüglich der Pumpanforderungen haben wir 13 J pro kg.

Wir vergleichen hier Äpfel mit Birnen. Es gibt einige offensichtliche Möglichkeiten, wie diese Pflanze mehr Energie aus Wärme gewinnen könnte als aus solarer EM-Strahlung. Wenn der Wärmegradient stark und konstant wäre, wie bei einer vulkanischen heißen Quelle, dann könnte diese Pflanze viel Energie bekommen. Aber für Ihren Vorschlag, dass eine schwimmfähige Pflanze vielleicht 100 kg warmes Flachwasser aufnimmt und es dann in der Tiefe verarbeitet, würden Sie vielleicht 1,3 kJ Energie pro Zyklus erhalten. In der Zwischenzeit würde eine photosynthetische Pflanze die gleiche Energie in einer halben Stunde erhalten.

Lassen Sie mich abschließend noch einmal betonen, dass die photosynthetische Effizienz einer Pflanze gut dokumentiert ist, aber die thermischen Prozesse, die ich vorschlage, sind völlig mutmaßlich und möglicherweise optimistisch.

Fazit

Die Energierechnung war nicht so klar, wie ich gehofft hatte, aber ich habe mich zumindest davon überzeugt, dass die Energie, die möglicherweise zwischen einem heißen und einem kalten Reservoir extrahiert werden kann, nicht sehr viel ist im Vergleich zu dem, was Sie aus dem erhalten würden Sonne.

Für die von mir verwendeten Vermutungszahlen müssten Sie 3 kg pro Minute zwischen heißen und kalten Reservoirs mit einem Abstand von 20 K bewegen, um das Äquivalent von 1 m zu erhalten$^2$der Blattfläche. Blätter sind für eine Pflanze relativ billig herzustellen; sie erscheint im Vergleich zu einer Wärmepumpe energetisch sehr günstig.

Ich schließe daraus, dass Ihre Pflanzen am besten auf einen M-Typ-Zwergstern setzen, wenn sie die verfügbare Nah-IR-Strahlung nutzen und das Beste aus der Photosynthese machen; Wärmepumpenreaktionen lohnen sich energetisch wohl nicht.

Der Wärmefresser verwendet eine Konformationsänderung, um die ATP-Synthase umzuwandeln und ATP zu erzeugen. Die Konformationsänderung wird durch eine teilweise mit Flüssigkeit gefüllte Blase erzeugt, die sich bei Erwärmung ausdehnt und sich später bei Abkühlung zusammenzieht.

1. ATP-Synthase. Betrachten Sie einen Motor. Es wandelt elektrische Energie in mechanische Rotation um. Aber wenn Sie den Motor mit einer Kurbel drehen, wird der Motor zu einem Generator und gibt Strom ab.

ATP ist die Energiewährung der Zelle. ATP-Synthase ist ähnlich wie ein Motor/Generator. ATP-Synthase wandelt mechanische Energie (Rotation) in chemische Energie um, indem sie ATP phosphoryliert. Es kann auch rückwärts laufen, ATP zu ADP hydrolysieren und sich rückwärts drehen.

Die Rotationsmaschine in der Zelle, ATP-Synthase. H. Noji, M. Yoshida, J. Biol. Chem. Soc. 19. Januar 2001;276(3):1665-8.

ATP-Synthase, ein wichtiger ATP-Lieferant in der Zelle, ist eine Rotationsmaschine, die in der biologischen Welt neben dem bakteriellen Flagellenmotor zu finden ist. Dieses Enzym besteht aus zwei Motoren, F0 und F1, die durch eine gemeinsame Rotorwelle verbunden sind, um die Energie der Protonentranslokation und der ATP-Synthese/Hydrolyse durch mechanische Rotation auszutauschen. Die Drehung des durch ATP-Hydrolyse angetriebenen isolierten F1-Motors wurde direkt mit einem optischen Mikroskop beobachtet, und seine erstaunliche Leistung wurde offenbart. Der Motor dreht sich in diskreten 120°-Schritten, die jeweils durch die Hydrolyse eines ATP-Moleküls mit nahezu perfekter Energieeffizienz angetrieben werden. Anscheinend erzeugt eine kooperative Biegebewegung der Domäne der katalytischen β-Untereinheiten, die durch ATP-Bindung initiiert wird, das Drehmoment. Im F0motor, über den wir weniger wissen,

Im Allgemeinen wird die Rotation in Zellen jeglicher Art durch Protonen bereitgestellt, die sich über einen Gradienten bewegen. Im Wärmefresser wird mechanische Energie, die durch eine Phasenänderung (Flüssigkeit zu Dampf) erzeugt wird, in eine elastische Konformationsänderung übersetzt, die ATP-Synthase umwandelt.

Eine gute Möglichkeit, Wärmeenergie als mechanische Energie einzufangen, ist über einen Phasenwechsel. Die Umwandlung von fest oder flüssig in Gas beinhaltet große Druckänderungen, die als mechanische Energie erfasst werden können. Eine Dampfmaschine ist ein gutes Beispiel: Wärme verwandelt Wasser in Dampf und daraus kann mechanische Energie gewonnen werden, um einen Motor anzutreiben.

Der Wärmefresser verwendet eine elastische, dehnbare Blase, die Flüssigkeit enthält. Beim Erhitzen steigt der Dampfdruck und die Blase dehnt sich aus und dehnt sich aus. Wasser könnte die Flüssigkeit sein. Aceton ist kompatibel mit biologischen Systemen (unserer eigener Körper stellt es her!) und der Dampfdruck bei 40 °C beträgt 400 mmHg im Gegensatz zu 40 mmHg für Wasser .

Die Blase besteht aus einem elastischen Protein wie Elastin , das sich verlängern und dann wieder normalisieren kann. Im Wärmefresser verwandelt sich das Elastin, wenn es sich dehnt, in ATP-Synthase und erzeugt ATP.

Später, wenn die Sonne untergeht und die Blase abkühlt und sich zusammenzieht und ihr Inhalt wieder zu Flüssigkeit kondensiert, wird das sich erholende Elastin losgehakt, damit es die ATP-Synthase nicht zurückdreht, um ATP zu hydrolysieren.

Die Wärmefresser würden in der Sonne wie ein Feld aus großen Blasen aussehen. Warum, wenn es so einfach ist, gibt es nicht viele Organismen, die sich diesen Mechanismus zunutze machen? Ich vermute, es ist nicht so einfach, alternative Methoden zur Umwandlung von ATP-Synthase zu entwickeln.