So you want to use plants to reduce CO₂

人間は二酸化炭素を排出します。二酸化炭素は認知能力に悪影響を与えます。しかし、植物は二酸化炭素を酸素に変えます。そして植物は、唯一真のホームデコレーション戦略です。では、たくさんの植物を置けば、二酸化炭素を抑制し、脳の働きを保つことができるのでしょうか？理論的には可能です。実際には、ぎりぎり可能な程度でしょう。しかし、それは容易ではありません。 人間は1日に約1キログラムの二酸化炭素を排出します。これは約5.7 × 10²³分子、または1時間あたり0.948モルに相当します。（高校で習ったように、モルは10²³の係数を避けるために作られた巨大な数です。）単純に、1時間あたり1モルと呼びましょう。一方、植物は光合成、つまり（6分子の水）+（6分子の二酸化炭素）+（エネルギー）→（1分子のグルコース）+（6分子の酸素）という化学反応によって、二酸化炭素を酸素に変えます。この反応を通じて1モルの二酸化炭素をグルコースと酸素に変換するために物理的に必要な最小エネルギーは約477キロジュールです。これで下限値が得られました。仮に、魔法のような植物が、入ってくるすべてのエネルギーを完璧な効率で光合成に振り向けることができるとしましょう。それらは1時間あたり約477キロジュールを必要とし、これは132.5ワットの連続使用に相当します。¹ これは、白熱電球2つ分よりも少し多い程度で、それほど悪くはありません。しかし、あなたは魔法の植物を持っているわけではありません。実際の植物は、2つのステップを経て光合成を行います。各ステップでは、4つの電子が光子を吸収します。つまり、二酸化炭素分子あたり8個の光子が必要です。光を最大限の効率で調整したい場合、各光子には電子を励起するために必要な最小エネルギー、つまり約1.8 eVを正確に与えるべきです。これは波長680 nmの純粋な赤色光に相当し、386ワットの連続使用になります。² 葉緑体を使用する物理システムは、これより少ないエネルギーでCO₂を中和することはできません。やや高いですが、まだ管理可能です。しかし、あなたの観葉植物は、当たったすべての光子を捉えて光合成に振り向けることはできません。実際には、光子の約30%が植物から反射されるか、通り抜けるか、葉緑体以外の植物の一部に当たります。これにより、551ワットになります。³ そして、もう一つの問題があります。植物がグルコースを作った後、それはどうなるのでしょうか？一部はより多くの植物を成長させるために使用され、環境から炭素を永久に隔離します。しかし、多くは植物自身の生存のために燃焼され、炭素を再び大気中に放出します。この方法で燃焼される正確な量は、種や条件によって異なりますが、約40%の損失は合理的であり、⁴ これにより918ワットになります。⁵ それほど悪くないように聞こえるかもしれません。しかし、918ワットの純粋な赤色光と同じ部屋に住むことがどのようなものか考えたことがありますか？放射電力の点で、それは約765個の白熱電球が生成するものと同じです。⁶ 最新のLED育成ライトは約50%の効率なので、実際には約1836ワットを費やす必要があります。もし、目に見える植物を想像しているなら、部屋に失われる光のためにさらに調整してください。そして、純粋な赤色光ではなく、通常の光周波数を使用したい場合、LED電球は光の生成において非効率になり、植物はそれを捉えるのが非効率になります。現実的には、5,000〜10,000ワットの範囲になり、そのほとんどが熱として部屋に失われます。常に5台のスペースヒーターが最大で稼働しているのを想像してください。しかし、あなたは日焼けサロンのような環境に住むことに抵抗がないかもしれません。あるいは、植物を完全に反射するチャンバーに入れるかもしれません。あるいは、あなたの家にはガラスの天井と無限の無料の太陽光と無料の気候制御があるかもしれません。それは素晴らしいです。しかし、光合成光子束密度という、あなたの古い友人を忘れていませんか？植物は無限の量の光を吸収できません。葉緑体は、より多くの光子を吸収できるようになる前に「リセット」するのに時間がかかります。あなたのペットのシダは、葉の表面積1平方メートルあたり約52ワットのエネルギーしか吸収できません。⁷ ですから、どれだけ多くの光を生成できても、あなたが作る二酸化炭素を中和したいのであれば、少なくとも17.6平方メートルのシダの葉が必要です。シダでぎっしり詰まった4.2メートル四方の壁を想像してください。隙間、茎、土、壁が見えている場合は、さらに大きくなる必要があります。それが絶対的な最小値です。しかし、それでも大丈夫かもしれませんか？結構です。しかし、最後の障壁を一つ考えてください。植物は物理法則に従います [引用が必要]。もしそれらが空気から炭素を取り除くなら、その炭素をどこかに置かなければなりません。空以外に行ける唯一の場所は、植物自体です。あなたが毎日生成する1kgの二酸化炭素は、273グラムの元素炭素に相当します。植物がそれを隠す唯一の方法は、より多くの植物を作ることです。しかし、乾燥した植物の物質は炭素の約50%に過ぎず、乾燥した植物の物質1グラムあたり、植物は5〜10グラムの水を持っています（種によって大きく異なります）。したがって、あなたが作るすべての炭素を隔離するためには、毎日約（1 kg CO₂）×（0.273 kg 元素炭素/kg CO₂）×（2 kg 乾燥植物/kg 元素炭素）×（8.5 kg 実際の植物/kg 乾燥植物）= 4.6 kg の実際の植物が必要です。あなたの庭は毎日それだけの量を成長させなければなりません。それは月に140kgです。そのすべてを外に剪定して捨てなければなりません。そうでなければ、あなたの庭は実際には何も隔離していません。 結論: 産業用屋内農場を建設する。それを計量する。2週間待つ。再び計量する。重量の増加をあなたの体重で割る。それが、あなたが環境から除去しているCO₂の割合です。窓を開ける。算数の力を見よ: (1モル CO₂ / 時間) × (477 kJ / モル CO₂) = 132.5 ワット。↩ 単位の力を再び使用して: (1モル CO₂ / 時間) × (8 光子 / CO₂ 分子) × (1.8 eV / 光子) = 385.94 ワット したがって、葉緑体は、光中のエネルギーを光合成に振り向ける上で、最大でも約34%（132.5 / 385.94）の効率です。↩ この30%という数字は驚くほど低いと思います。（よくやった、進化。）そして、それはもう少し低くなるべきかもしれません。まず、30%という数字は、400〜700 nmの範囲にフィルタリングされた太陽光から来ています。もし純粋な680 nmの光があれば、吸収はいくらか高くなるはずです。また、光子が葉緑体以外の植物の一部に吸収されると、熱になり、エネルギーは失われます。しかし、それが反射されるか、植物を通り抜ける場合、他の植物に当たる可能性があります（周囲にたくさんの植物がある場合）。もし純粋な680 nmの光があり、非常に密に配置された植物があるなら、おそらくこれを10〜20%に下げることができるかもしれません。↩ Wikipediaは、葉自体での呼吸だけで35〜45%の損失を引用しています。しかし、この論文では、種や成長率によって30%から56%の範囲の数値を示しています。↩ 全体的な効率を132.5ワット/918ワット≈14.4%と推定しました。Wikipediaを見ると、太陽光での理想的な葉の効率は約5.4%しかないと推定されています。これは、太陽光が広い波長帯を含んでおり、私の計算では理想的な680 nmの光源を仮定したためです。約47%が400〜700 nmの範囲外であり、その範囲内では、約24%が高エネルギー光子による熱として無駄になるエネルギーのために失われます。それを考慮すると、私の推定値は14.4% × (1-0.47) × (1-0.24) = 5.8%となり、実用上は十分な精度です。↩ 伝統的な「60ワット」の白熱電球は、電力入力に基づいて定格されています。しかし、そのエネルギーの約2%しか実際には光に変換されません。したがって、918ワットの純粋な赤色光は、918 / 60 = 15.3個の電球から得られるものではありません。それは918 / 60 / .02 = 765個の電球から得られるものです。とはいえ、私たちの目は680 nmの光にあまり敏感ではないので、知覚されるルクスはそれほど悪くはないでしょう。↩ 植物の飽和点は通常、300 μmol/m²/sの単位で与えられます。これは、葉の1平方メートルあたり、1秒あたりに吸収できる光子の数（マイクロモル単位）です。日陰に強い観葉植物の典型的な値は、約300 μmol/m²/sです。再び、光が680 nmであると仮定すると、各光子あたりのエネルギーは...