تستعمل المُنتجات طاقة الشمس لصنع

• السكر.
• البروتين.
• النشا.
• الكلوروفيل.

تستخدم الأجزاء الخضراء من النباتات ضوء الشمس والماء وغاز ثاني أكسيد الكربون الموجود في الهواء لإنتاج الجلوكوز والأكسجين ومن خلال القيام بذلك تنتج النباتات الطاقة وتضمن أننا نستطيع تنفس الهواء النقي الغني بالأكسجين.

السكر: نحن نتحدث عن سكر المائدة والذي يسمى أيضًا السكروز يتكون السكروز من سكرين أبسط الجلوكوز والفركتوز ولكن من أين يأتي الجلوكوز وعلى النقيض من البشر والحيوانات الأخرى يمكن للنباتات إنتاج الجلوكوز من خلال عملية تعرف باسم التمثيل الضوئي.

لكن كيف تستفيد النباتات نفسها من عملية التمثيل الضوئي وإنتاج الجلوكوز حيث يمكن استخدام الجلوكوز ككتلة بناء كيميائية وكمورد للطاقة كما تستخدم النباتات الجلوكوز للعيش والنمو بالنسبة للنباتات والبشر على حد سواء يعتبر الجلوكوز بمثابة وقود للآلة.

تنتج النباتات السكر في أوراقها لكن طعم هذه الأوراق ليس حلوًا وذلك لأن السكر لا يبقى في الأوراق تستخدم النباتات السكر في النمو ويمكن أيضًا نقله إلى الجذور أو البذور أو السيقان أو الفواكه للتخزين كما عرفنا أن السكر قد يوجد على شكل سكريات بسيطة مثل الجلوكوز أو الفركتوز أو على شكل سكر مزدوج مثل السكروز.

البروتين: يحتاج البشر إلى البروتين للبقاء على قيد الحياة لكن زراعة الغذاء الذي يوفر البروتين الذي تشتد الحاجة إليه يضيف ثاني أكسيد الكربون والميثان إلى الغلاف الجوي مما يسرع وتيرة تغير المناخ.

النشا: هناك أيضًا سكريات ترتبط فيها آلاف جزيئات السكر معًا لتشكل وحدة هائلة مثل النشا كل هذه السكريات المختلفة هي نوع من العناصر الغذائية تسمى الكربوهيدرات.

تقوم العديد من النباتات بتخزين السكر على شكل نشا مثل البطاطس ويخزن آخرون السكر على شكل فركتوز أو جلوكوز في ثمارهم مثل التفاح والبرتقال تخزن بعض النباتات تركيزات عالية من السكروز.

الكلوروفيل: تحتوي معظم النباتات على مادة كيميائية ملونة خاصة أو صبغة تسمى الكلوروفيل والتي تستخدم في عملية التمثيل الضوئي حيث أن الكلوروفيل هو ما يمتص طاقة الشمس ويحولها إلى طاقة كيميائية.

البناء الضوئي

تستخدم النباتات عملية تسمى التمثيل الضوئي لصنع الغذاء وأثناء عملية التمثيل الضوئي تحبس النباتات الطاقة الضوئية بأوراقها كما تستخدم النباتات طاقة الشمس لتحويل الماء وثاني أكسيد الكربون إلى سكر يسمى الجلوكوز ويستخدم النباتات الجلوكوز للحصول على الطاقة ولتصنيع مواد أخرى مثل السليلوز والنشا ويستخدم السليلوز في بناء جدران الخلايا.

يتم تخزين النشا في البذور وأجزاء النبات الأخرى كمصدر للغذاء ولهذا السبب فإن بعض الأطعمة التي نتناولها مثل الأرز والحبوب مليئة بالنشا.

تحتوي معظم النباتات على مادة كيميائية ملونة خاصة أو صبغة تسمى الكلوروفيل والتي تستخدم في عملية التمثيل الضوئي فالكلوروفيل هو ما يمتص طاقة الشمس ويحولها إلى طاقة كيميائية  ولا يتم امتصاص كل الطاقة الضوئية القادمة من الشمس.

يحتوي ضوء الشمس على العديد من الألوان المختلفة يمتص الكلوروفيل عادة الضوء الأحمر والأزرق من الشمس ويعكس الضوء الأخضر فانعكاس الضوء الأخضر هو الذي يجعل بعض الأوراق تبدو خضراء.

في الخريف تتوقف بعض النباتات عن إنتاج الكلوروفيل ونرى الأوراق تتغير لونها ومع اختفاء الكلوروفيل لم يعد الضوء الأخضر ينعكس.

البروتينات النباتية التي تعمل على الطاقة الشمسية

بدلاً من استخدام السيليكون شبه الموصل تقوم البروتينات المستخرجة من النباتات بتحويل الضوء إلى كهرباء.

قام الفيزيائي أندرياس ميرشين من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وزملاؤه بتبسيط إنتاج الخلايا الشمسية النباتية حتى يتمكن أي مختبر من تصنيعها ويأمل ميرشين أن تتمكن هذه الألواح الشمسية البيولوجية من توفير الطاقة في الأماكن التي لا تتوفر فيها الكهرباء حاليًا.

تصنع النباتات السكريات باستخدام الطاقة من الشمس في عملية تسمى التمثيل الضوئي فتقوم مجمعات البروتين بتحويل الطاقة الضوئية إلى إلكترونات والتي تعمل على تشغيل مصانع إنتاج السكر في النبات.

يتم ضبط هذه البروتينات النباتية لتعظيم طاقة الشمس عمليًا حيث يتم تحويل كل ضوء الشمس الذي يضربها إلى إلكترونات وتكافح الألواح الشمسية التجارية لمطابقة هذه الكفاءة لأنها لا تستطيع امتصاص جميع الأطوال الموجية للضوء.

حصد ميرشين نوعًا واحدًا من مركب البروتين الذي يجمع الضوء من البكتيريا التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي معلقًا في محلول مثبت حافظ مركب البروتين الضوئي على شكله ووظيفته.

قام برسم محلول البروتين على شريحة زجاجية مغطاة بقضبان نانوية الحجم من أكسيد الزنك وهو مكون شائع في واقي الشمس تحتوي القضبان على بروتين أكثر من الأسطح المسطحة المستخدمة عادة لصنع الألواح الشمسية التي تقوم بالتمثيل الضوئي وهو ما يكفي لإعطاء اللوحة مساحة خضراء باهتة.

حولت الخلية الشمسية الحيوية حوالي 0.1% من طاقة الشمس إلى طاقة كهربائية أي أكثر كفاءة بـ 10000 مرة من الخلايا الشمسية الحيوية السابقة يقول ميرشين إن خلاياه الشمسية النباتية لن تتطابق أبدًا مع الألواح الشمسية التجارية ويضيف أنه حتى زيادة الكفاءة إلى 1% يمكن أن تجعل هذه الألواح التي تعمل بالطاقة النباتية مفيدة للأشخاص في العالم النامي الذين ليس لديهم كهرباء.

كيف تنتج الشمس الطاقة

تعمل طاقة الشمس أيضًا على تشغيل طقس الأرض ودورة المياه إذا لم تكن لدينا هذه العمليات فإن الحياة على الأرض لن تستمر طويلا وبالرغم من معرفة العلماء أن الشمس ضرورية للحياة على الأرض ولكن كيف تنتج كل تلك الطاقة التي نستخدمها بعدة طرق مختلفة.

على عكس الأرض التي تتكون في الغالب من الحديد والصخور والماء والعديد من العناصر الأخرى تتكون الشمس في الغالب من غاز الهيدروجين قلبها حار بشكل لا يصدق مثل الأرض وتحت ضغط كبير فيؤدي هذا الضغط إلى اندماج ذرات الهيدروجين معًا مما يؤدي إلى تفاعل نووي يسمى الاندماج ينتج عن هذا التفاعل الكثير من الطاقة التي تساعد على تشغيل نظامنا الشمسي.

تفاعل الاندماج الشمسي يشبه القنبلة الهيدروجينية لكنه أقوى بكثير لا تنفجر الشمس لأن الضغط الخارجي الناتج عن تفاعل الاندماج  يتوازن مع الضغط الداخلي للغازات المحيطة بالشمس.

تحصل الأرض على جزء صغير فقط من الطاقة التي تنتجها الشمس ولكنها كافية لتزويد كوكبنا بالطاقة وينعكس بعض الطاقة مرة أخرى إلى الفضاء في حين أن ما يزيد قليلاً عن 40% منها يؤدي إلى تدفئة الأرض ويستخدم حوالي 25% في دورة المياه الرياح وتيارات المحيطات تستغرق حوالي 1% وتستخدم النباتات كمية ضئيلة من طاقة الشمس في عملية التمثيل الضوئي تصل إلى حوالي 0.023%.

البلاستيدات الخضراء والكلوروفيل

البلاستيدات الخضراء هي عبارة عن أغشية نباتية أو عضيات علاوة على ذلك فهي تقع في الخلايا النباتية

والكائنات الحية الأخرى التي تستخدم عملية التمثيل الضوئي لصنع طعامها وبالتالي يقومون بعملية البناء الضوئي.

وعلى غرار الكلوروفيل فإن البلاستيدات الخضراء أيضًا خضراء اللون وذلك بسبب استخدام الكلوروفيل ووجود الأغشية.

تم العثور عليها في أوراق النباتات ستجد مئات الآلاف من البلاستيدات الخضراء في كل ملليمتر مربع من ورقة النبات.

الكلوروفيل هو جزيء نباتي أساسي علاوة على ذلك فهو يلعب أيضًا دورًا رئيسيًا في خلط وترتيب غذاء النبات

أثناء عملية التمثيل الضوئي علاوة على ذلك فهو يمتص في الغالب الأجزاء الزرقاء والحمراء من الطيف الكهرومغناطيسي

وبالتالي يعكس اللون الأخضر.

يساعد الكلوروفيل النباتات الخضراء على النمو بشكل صحي وخضراء علاوة على ذلك فهو يساعدهم أيضًا

على اكتساب الطاقة والأهم من ذلك أن الكلوروفيل عبارة عن صبغة تمتص الضوء.