Wie fördert eine „Membran“ eine nachhaltige Aufforstung?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Shi Chang (PhD in Physikalischer Chemie)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um die neuesten Geheimnisse der Biowissenschaften zu entschlüsseln, hat das Spitzentechnologieprojekt von China Science Popularization eine Artikelserie mit dem Titel „Neues Wissen über das Leben“ veröffentlicht, die Lebensphänomene interpretiert und die Geheimnisse der Biologie aus einer einzigartigen Perspektive enthüllt. Tauchen wir ein in die Welt des Lebens und erkunden wir die unendlichen Möglichkeiten.

Bei der Photosynthese handelt es sich um den Prozess, bei dem Pflanzen, Algen und einige spezielle Bakterien die Energie der Sonne nutzen, um Kohlendioxid und Wasser in organische Stoffe umzuwandeln und Sauerstoff freizusetzen. Dieser Prozess liefert nicht nur Nährstoffe für das eigene Wachstum, sondern kann auch die Ansammlung von Treibhausgasen in der Atmosphäre bis zu einem gewissen Grad verlangsamen und uns so dabei helfen, die globale Erwärmung zu bekämpfen.

Eine Dürreumgebung hat große Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum und kann zu Wurzelschäden, einer Beeinträchtigung der Photosynthese, einem Wasserungleichgewicht und eingeschränktem Wachstum führen, was letztendlich zu einem Rückgang des Pflanzenertrags führt und eine Bedrohung für die Stabilität des Ökosystems und die Artenvielfalt darstellt.

Chinas Wüstenfläche beträgt mehr als 600.000 Quadratkilometer und macht das Land zu einem der Länder mit den größten Wüstengebieten der Welt. Durch das Anpflanzen von Pflanzen in der Wüste können nicht nur Sand gebunden und Wind abgehalten sowie die Bodenerosion verringert werden, sondern auch Treibhausgase verbraucht werden, wodurch ein großer Beitrag zur Bekämpfung der globalen Erwärmung geleistet wird. Wie also züchtet man Pflanzen in einer trockenen Wüste?

Wüstenpflanzen

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Was ist so magisch an einer Membran?

Am 21. Mai 2024 veröffentlichten chinesische Wissenschaftler in der Zeitschrift Nature Sustainability einen Artikel über den Strahlungskühlfilm, der die Photosynthese von Pflanzen fördert und das Problem des Verhältnisses „Wasser-Nahrung-Energie“ im Zusammenhang mit dem Klimawandel lösen soll.

Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Sustainability veröffentlicht

(Bildquelle: Nature Sustainability Magazin)

Durch Modellierung stellten die Autoren fest, dass die Netto-Strahlungsenergiezufuhr in enger Beziehung zum Pflanzenwachstum steht und dass die Netto-Strahlungsenergiezufuhr eng mit der Geschwindigkeit der Temperaturänderung und der Geschwindigkeit des Wasserverlusts zusammenhängt. Darauf aufbauend stellten die Autoren einen photosynthetisch aktiven Strahlungskühlungsfilm (PRCF) mit Sandwichstruktur her.

PRCF besteht aus einer Strahlungsschicht aus Polydimethylsiloxan (PDMS), einer optimierten photonischen Kristallschicht und einer Hydrogelschicht aus Polyacrylamid (PAM) . Die Polydimethylsiloxanschicht weist eine hohe Emissivität im mittleren Infrarotbereich auf und kann eine maximale Strahlungskühlung erreichen. die photonische Kristallschicht kann selektiv für die Photosynthese geeignetes Licht durchlassen, um die Photosynthese zu fördern; Die Polyacrylamidschicht kann ein Beschlagen verhindern und den Schatteneffekt durch Wasserdampfkondensation vermeiden.

Entwurf und Charakterisierung photosynthetisch aktiver Strahlungskühlungsmembranen.

A. Die Herausforderungen des Pflanzenanbaus in Trockengebieten; B. Die Beziehung zwischen der Temperaturänderungsrate und der Rate des Wasserverlusts und der Nettostrahlung; C. Das Wirkungsdiagramm der Verwendung von PRCF; D. Die Beziehung zwischen Sonnenlichtdurchlässigkeit und Emissionsgrad und Wellenlänge im mittleren Infrarotbereich; e, f. Einführung in PRCF; g, h, i, j. Charakterisierung von PRCF)

(Bildquelle: Referenz 1)

Um die kühlende und wassersparende Wirkung des photosynthetisch aktiven Strahlungskühlfilms zu überprüfen, führten die Autoren Temperaturkontrollexperimente im Freien mit diesem Film sowie mit Erde durch, die mit Polyvinylchloridfolie (PVC), Ultraviolett-Nahinfrarotfiltern (UV-NIR) und unbedeckter Erde bedeckt war.

Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass die von PRCF durchgelassene Menge an Sonnenlicht, die für die Photosynthese der Pflanzen wirksam ist, der von zwei Kontrollgruppen ähnelt: Polyvinylchloridfolie (PVC) und Ultraviolett-Nahinfrarotfilter (UV-NIR), aber die Zufuhr von Sonnenlicht bei anderen Wellenlängen stark reduzieren kann.

Darüber hinaus verfügt PRCF über eine höhere Strahlungsenergieabgabe im mittleren Infrarotbereich, was zur Reduzierung der Strahlungswärmebelastung beiträgt. Die Mindesttemperatur in der PRCF-Versuchsgruppe betrug 35,4 °C und war damit 2,4 °C, 4,6 °C und 1,9 °C niedriger als in den Szenarien mit UV-NIR-Filter, PVC-Folie und keiner Abdeckung. PRCF zeigte im Vergleich zu Ultraviolett-Nahinfrarot-Filtern (UV-NIR), Polyvinylchlorid-Folien (PVC) und einer Kontrollgruppe ohne Abdeckung eine hervorragende Fähigkeit zur Reduzierung der Wasserverdunstung.

PRCF verfügt über die Fähigkeit zur passiven Kühlung und zur Reduzierung der Wasserverdunstung, was zu einer Verbesserung der Pflanzenwachstumsbedingungen in trockenen und heißen Umgebungen beiträgt. Forscher schätzen, dass sich durch das Anbringen einer Folie auf Trockenlandpflanzen die Kohlenstoffsenken weltweit um etwa 40 % erhöhen lassen, verglichen mit der Situation, wenn keine Folie verwendet wird, was sich positiv auf die Eindämmung der Klimaerwärmung auswirkt.

Kühl- und Wassersparleistung photosynthetisch aktiver Strahlungskühlfolien

Foto der Ausrüstung, die zum Testen der PRCF-Leistung verwendet wurde; B. Spektraldiagramme verschiedener Abdeckmaterialien; C. Transmission und Absorption von Sonnenlicht durch verschiedene Abdeckfolien; D. Energieabgabe verschiedener Abdeckmaterialien im mittleren Infrarotbereich bei unterschiedlichen Temperaturen; e. Energieflussleistung verschiedener Belagsmaterialien; f, g. Vergleich der Lufttemperatur und der Bodentemperatur unter verschiedenen Abdeckfolienbedingungen; H. Wasserverlustrate unter verschiedenen Deckfilmbedingungen)

(Bildquelle: Referenz 1)

Welche anderen Möglichkeiten gibt es, Kohlendioxid zu verbrauchen?

Aufnahme durch Meerwasser : Der Ozean ist ein wichtiger Kohlendioxid-Speicher in der Natur. Meerwasser kann durch Auflösung und Stoffwechselprozesse von Meeresorganismen Kohlendioxid verbrauchen und spielt eine wichtige Rolle bei der Regulierung der Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre.

Ozean

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Mikrobieller Stoffwechsel : Bakterien und Plankton nutzen Kohlendioxid als Kohlenstoffquelle, fixieren Kohlenstoff durch die Synthese organischer Stoffe und reduzieren die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre. Mikroorganismen sind im Boden, im Wasser und in anderen Umgebungen weit verbreitet und haben einen erheblichen Einfluss auf den Kohlendioxidverbrauch.

Chemische Umwandlung : Mit chemischen Methoden wie der Carbon Capture and Storage (CCS)-Technologie kann CO2 aus industriellen Emissionsquellen abgetrennt und unterirdisch oder an anderen sicheren Orten gespeichert werden. Mit diesem Ansatz lässt sich die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre deutlich reduzieren, allerdings sind dafür erhebliche technologische Investitionen und politische Unterstützung erforderlich.

Das Pflanzen von Pflanzen reduziert Kohlendioxid

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Abschluss

Der Verbrauch von Kohlendioxid und die Reduzierung der Treibhausgasemissionen sind zu dringenden Aufgaben im Kampf gegen die globale Erwärmung geworden. Von der Photosynthese der Pflanzen über die Kohlenstoffsenken der Ozeane bis hin zum mikrobiellen Stoffwechsel und der innovativen Anwendung menschlicher Technologie waren wir Zeugen der unermüdlichen Bemühungen der Natur und der menschlichen Weisheit bei der Bekämpfung des Treibhauseffekts.

Wir müssen jedoch erkennen, dass diese Bemühungen bei weitem nicht ausreichen. Um das Ziel der Reduzierung der Treibhausgasemissionen wirklich zu erreichen, sind die gemeinsame Beteiligung und die nachhaltigen Anstrengungen der gesamten Gesellschaft erforderlich. Beginnen wir mit kleinen Dingen um uns herum, sparen wir Energie, reduzieren wir Emissionen, fördern wir erneuerbare Energien, setzen wir uns für ein Leben mit geringem CO2-Ausstoß ein und tragen wir zum Schutz der Umwelt unserer Erde bei.

Quellen:

1.Li, J., Jiang, Y., Liu, J. et al. Ein photosynthetisch aktiver Strahlungskühlfilm[J]. Nat Sustain, 2024.

2. Zhang Yuanhui, Wang Weiqiang, Chen Liqi. Forschungsfortschritte zum Thema Kohlendioxid im Ozean[J]. Fortschritte in den Geowissenschaften, 2000, 15(5).

3. Tao Yuxuan, Guo Liang, Gao Cong et al. Forschungsfortschritte im Bereich des Metabolic Engineering von Mikroorganismen zur Kohlendioxidfixierung[J]. Fortschritte in der chemischen Industrie, 2023, 42(1).

4.Mackay E. Modellierung der Injektionsleistung, Migration und Speicherung von CO2 bei der Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (CCS)[J]. 2013.