Wie Riesenmuscheln perfekt für Solarenergie geeignet sind
Riesenmuscheln im Westpazifik nutzen Sonnenlicht extrem effizient durch ihre spezielle Anordnung von Algen und lichtstreuenden Zellen. Studien zeigen, dass ihre Photosynthese-Effizienz theoretisch bis zu 67 % erreichen kann.
Riesenmuschel als Vorbild für Solarenergie.
Foto: PantherMedia / glebantiy
Heute bestehen die meisten Solarzellen aus Silizium und erreichen einen Wirkungsgrad von etwa 22 bis 25 %. Auch die neueren Perowskit-Tandem-Solarzellen kommen derzeit nicht über 35 % hinaus und sind noch nicht marktreif. Eine vielversprechende Lösung für höhere Wirkungsgrade könnte jedoch von der Riesenmuschel im Westpazifik kommen. Wenn wir ihre Fähigkeit zur optimalen Lichtnutzung nachahmen, könnten wir die Effizienz der Solarenergie erheblich steigern.
In den flachen, tropischen Riffen vor Palau, einem Inselstaat im Pazifischen Ozean, leben Muscheln der Gattung Tridacna. Diese großen Schalentiere sehen auf den ersten Blick unscheinbar aus. Doch wenn man in ihr Inneres schaut, entdeckt man ein glänzend blaues Muskelgewebe, das die effizienteste Solaranlage enthält, die Wissenschaftler bisher gefunden haben. Eine Forschungsteam unter Leitung von Alison Sweeney von der Yale University hat dies in der Zeitschrift „PRX Energy“ veröffentlicht.
Geometrie der Muschel ist entscheidend
Der Erfolg des Systems liegt auch an einem speziellen Trick der Muschel. Das leuchtend blaue Gewebe der Muschel absorbiert 95 Prozent des einfallenden Sonnenlichts, während nur fünf Prozent reflektiert werden. Das aufgenommene Licht wird dann an die Algen weitergeleitet, die es zur Photosynthese nutzen und so „futtern“.
Während in einem gewöhnlichen Pflanzenblatt die Photosynthese-betreibenden Teile zufällig verteilt sind, ordnet die Muschel ihre Algen gezielt in dünnen Reihen an, um eine maximale Effizienz zu gewährleisten. Die Yale-Ökologin Alison Sweeney erläuterte gegenüber „Scientific American“, dass die Muschel ihre Algen im Grunde wie auf einem landwirtschaftlichen Feld anordnet.
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In der Studie präsentiert ein von Sweeney geleitetes Forschungsteam ein analytisches Modell zur Bestimmung der maximalen Effizienz von photosynthetischen Systemen, basierend auf der Geometrie, Bewegung und Lichtstreuungseigenschaften von Riesenmuscheln.
In photosymbiontischen Riesenmuscheln nehmen vertikale Säulen aus einzelligen Algen Sonnenlicht auf, das zuvor von einer oberflächlichen Schicht lichtstreuender Zellen, den Iridocyten, gestreut wurde. Diese Anordnung könnte theoretisch sehr effizient sein, doch es war bisher unklar, wie man den Produktivitätsfaktor berechnen kann, um die Systemleistung zu bewerten. „Inspiriert von der Geometrie der Muschel haben wir ein analytisches Modell entwickelt, das die idealisierte Leistung eines Systems mit einer Geometrie ähnlich der der Muschel berechnet. In unserem Modell folgt das Verhalten der Photosynthese in Bezug auf die Bestrahlung dem der Algenzellen, die von den Muscheln isoliert wurden“, schreiben die Forschenden.
„Muscheln neigen dazu, sich im Laufe des Tages zu bewegen und zu strecken“, sagte Sweeney. „Dieses Dehnen vergrößert den Abstand zwischen den vertikalen Säulen, wodurch sie kürzer und breiter werden.“
Photosynthetische Effizienz der Muscheln
Das Team von Sweeney hat das System modelliert und herausgefunden, dass der theoretische Wirkungsgrad beim ersten Schritt der Photosynthese, bei dem Chlorophyll ein Photon aufnimmt, bei 43 % liegt. Das ist mehr als doppelt so hoch wie bei den meisten handelsüblichen Solaranlagen und dreimal so hoch wie bei einem tropischen Blatt. Frühere Messungen hatten die photosynthetische Effizienz der Muscheln in der Natur sogar auf über 60 % geschätzt. Die neue Studie erklärt diese Diskrepanz, indem sie berücksichtigt, dass die Muscheln ihren Mantel im Laufe des Tages aufblähen und wieder entlüften. Diese Methode könnte ihre Sonnenlichtexposition optimieren und ihre Effizienz auf 67 % steigern.
„Es ist für viele Menschen kontraintuitiv, weil Muscheln im intensiven Sonnenlicht arbeiten, aber tatsächlich sind sie im Inneren ziemlich dunkel“, sagte Alison Sweeney, Professorin für Physik sowie Ökologie und evolutionäre Biologie an der Yale University. „Die Wahrheit ist, dass Muscheln bei der Umwandlung von Sonnenenergie effizienter sind als jede vorhandene Solartechnologie.“
„Man könnte sich eine neue Generation von Solarpanels vorstellen, die Algen züchten, oder kostengünstige Plastiksolarpanels, die aus dehnbarem Material bestehen“, sagte Sweeney.
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