رشدگیاهان بدون نور

یک جرعه ازجهان دانش

بهارسادات موسوی

[ گزارش ازپژوهش های تازه ]

دانشمندان از روشی نوآورانه برای کِشت گیاهان بدون نور خورشید رونمایی کردند که کشاورزی برقی (electro-agriculture) نامیده می‌شود و نوید تغییر روش رشد مواد غذایی را می‌دهد و این قابلیت را دارد که چالش‌های شدید زیست‌محیطی را حل کند.

به گزارش وبگاه دِیلی گَلِکسی، از قرن‌ها پیش، «کشاورزی» مزارع وسیعِ غرق در نور خورشید را به ذهن متبادر ساخته است؛ اما این روش سنتی هزینه چشمگیری برای سیاره ما دارد. ۹۰ درصد از جنگل‌زدایی در جهان به دلیل کشاورزی سنتی صورت می‌گیرد؛ زیرا برای تغذیه جمعیت رو به رشد جهان به زمین‌های بیشتری نیاز هست.

«کشاورزی برقی» مفهومی پیشرفته است که فهم اساسی ما از رشد گیاهان را به چالش می‌کشد؛ این روش متکی بر یک واکنش شیمیایی است که چهار برابر کارآمدتر از فتوسنتز طبیعی است و این قابلیت را دارد که در تولید مواد غذایی به شکلی که ما با آن مأنوسیم، تحول ایجاد کند.
هسته اصلی این نوآوری، جایگزینی نور خورشید با برق است. پژوهشگران با استفاده از قدرت پَنل‌های (صفحه‌های) خورشیدی، سامانه‌ای ابداع کرده‌اند که احتمالاً نیاز به زمین برای کشاورزی را به شدت کاهش می‌دهد؛ در واقع، برآوردها حاکی از آن است که اگر همه مواد غذایی در آمریکا با استفاده از کشاورزی برقی تولید می‌شد، استفاده از زمین‌های کشاورزی ۹۴ درصد کاهش می‌یافت.

رشد سنتی گیاهان به فتوسنتز (فرآیندی که در آن گیاهان، نور خورشید و دی‌اکسیدکربن و آب را به گلوکز تبدیل می‌کنند) متکی است. این سازوکار طبیعی میلیون‌ها سال حیات روی زمین را حفظ کرده است؛ اما به طرز شگفت‌آوری ناکارآمد است؛ زیرا فقط حدود یک درصد از انرژی نور جذب‌شده توسط گیاهان به انرژی قابل استفاده تبدیل می شود.

هدف کشاورزی برقی بهبود طراحی طبیعت است. در این روش به جای تکیه بر نور خورشید، از برق برای ایجاد یک واکنش شیمیایی بین دی‌اکسیدکربن و آب استفاده می‌شود و در نتیجه اَسِتات تولید می‌شود: ترکیبی که به عنوان منبع غذایی برای گیاهانی که روی یک بستر خنثی و واکنش‌ناپذیر رشد می‌کنند، عمل می‌کند.

با پیشرفت پژوهش و فناوری، احتمالاً به زودی شاهد یک تغییر الگو در کشاورزی خواهیم بود. توانایی کِشت گیاهان بدون نور به تولید مواد غذایی پایدارتر، کاهش جنگل‌زدایی و راه‌هایی نوآورانه برای حل معضل گرسنگی جهانی منجر خواهد شد. آنچه زمانی غیرممکن به نظر می‌رسید، در واقع ممکن و عصر جدیدی از نوآوری کشاورزی آغاز شده است.

 

آیا نظریه‌های کوانتومی انبساط جهان اولیه قابل تأیید هستند؟

دانشمندان روسی برخی از نظریه‌های کوانتومی انبساط جهان اولیه را رد کرده اند.
فیزیکدانان روسی و کره جنوبی سه نظریه کیهان شناسی معروف را که انبساط فوق سریع کیهان را در اولین لحظات وجودش مطالعه می‌کنند و آن را به فرآیند‌های کوانتومی مختلف مرتبط می‌کنند، تجزیه و تحلیل کردند.

دانشمندان شواهدی را کشف کرده‌اند که نشان می‌دهد تنها یکی از این نظریه‌ها با داده‌های رصدی سازگار است. این موضوع توسط مرکز روابط عمومی موسسه فیزیک فنی مسکو گزارش شده است.

ولادیمیر اشمیت، محقق این مؤسسه، می‌گوید: ما به این نتیجه رسیده‌ایم که تنها یک مدل برای برخی مشخصات و مقادیر با مشاهدات فضایی مطابقت دارد، در حالی که دو مدل دیگر نیاز به اصلاح دارند.

دانشمندان مؤسسه فیزیک فنی مسکو و مؤسسه تحقیقات بنیادی کره جنوبی هنگام تجزیه و تحلیل سناریو‌های احتمالی در مورد این که آیا مظاهر مختلف مکانیک کوانتومی می‌توانند توضیح دهند که چرا مرز‌های کیهان بسیار سریعتر از سرعت نور در مراحل اولیه وجود کیهان منبسط می‌شوند به این نتیجه رسیدند.

این سناریوی انبساط کیهانی دیگر مورد تردید اکثر فیزیکدانان نیست؛ اما مکانیسم‌های این انبساط فوق سریع و همچنین دلایل شروع و پایان آن، اکنون در میان دانشمندان بحث و جدل ایجاد کرده است. به عنوان مثال، بنیانگذار کیهان شناسی روسی، الکسی استاروبینسکی و بسیاری از کیهان شناسان معتقدند که این انبساط فوق سریع ناشی از نشانه‌های کوانتومی نیروی گرانش یا تغییرات در خواص کوانتومی خلاء است.

دانشمندان اعتبار سه پیشرفت محبوب این ایده را که ادعا می‌کنند نظریه واقعی انبساط کیهانی است، آزمایش کرده‌اند. برای انجام این کار، دانشمندان داده‌های مربوط به ساختار مقیاس بزرگ جهان را که با استفاده از کاوشگر‌های WMAP، پلانک و رصدخانه قطب جنوب (BICEP) جمع‌آوری شده بود، مطالعه کردند و آن ها را با نتایج محاسبات با استفاده از مدل‌های کامپیوتری جهان در حال انبساط بر اساس این سه مفهوم مقایسه کردند.

این مقایسه نشان داد که تنها یکی از این سه نظریه با داده‌های رصدی واقعی موافق است؛ زیرا انبساط فوق سریع جهان با حضور میدان نافذ خاصی با جرم غیر صفر همراه است که برهمکنش ضعیفی با گرانش دارد. دانشمندان به این نتیجه رسیدند که نتایج محاسبات دو مدل دیگر با اندازه‌گیری‌های رصدخانه‌های مداری و زمینی تفاوت جدی دارد و تعداد نظریه‌های کوانتومی که انبساط جهان اولیه را توضیح می‌دهند، کاهش می‌دهد.

 

تشخیص دقیق و سریع گازهای سمی با کمک هوش مصنوعی

محققان دانشکده مهندسی و علوم کاربردی دانشگاه ویرجینیا سیستمی مجهز به هوش مصنوعی توسعه دادند که حس بویایی انسان را برای شناسایی و ردیابی گازهای سمی در لحظه، شبیه‌سازی می‌کند.
با استفاده از شبکه‌های عصبی مصنوعی پیشرفته همراه با شبکه‌ای از حسگرها، این سیستم به سرعت منبع گازهای مضر مانند دی اکسید نیتروژن(NO2) را که خطرات جدی برای سلامت تنفسی ایجاد می‌کنند، شناسایی می‌کند.

به نقل از ساینس‌دیلی، براساس گزارش سازمان بهداشت جهانی، آلودگی هوای خارج از منزل، از جمله دی‌اکسید نیتروژن، منجر به حدود ۴.۲ میلیون مرگ زودرس در سراسر جهان در هر سال می‌شود که عمدتا به دلیل بیماری‌های تنفسی مانند آسم و بیماری انسداد مزمن ریه(COPD) است.
این سیستم نوآورانه به جزایر نانویی از کاتالیزورهای فلزی تعبیه شده بر روی سطوح گرافن متکی است. این دستگاه مانند یک بینی مصنوعی عمل می‌کند و به مولکول‌های گاز سمی واکنش نشان می‌دهد. با اتصال مولکول‌های دی اکسید نیتروژن به گرافن، رسانایی حسگر تغییر می‌کند و به سیستم اجازه می‌دهد نشت گاز را با حساسیت بسیار بالا تشخیص دهد.

یونگ مین باک(Yongmin Baek)، دانشمند محقق در دپارتمان مهندسی برق و کامپیوتر که رهبری تحقیق و توسعه حسگرها را بر عهده دارد می‌گوید: جزایر نانویی کاتالیزورهای فلزی، خوشه‌های کوچکی از ذرات فلزی هستند که روی سطحی مانند گرافن رسوب کرده‌اند که با افزایش سطح برای تعامل بهتر با مولکول‌های گاز، واکنش‌های شیمیایی را افزایش می‌دهند و امکان تشخیص دقیق گازهای سمی را فراهم می‌کنند.

کیوسانگ لی(Kyusang Lee)، دانشیار مهندسی برق و رایانه و مهندسی علم مواد و یکی از محققین اصلی این پروژه، توضیح می‌دهد: با ادغام هوش مصنوعی با حسگرهای گاز پیشرفته، می‌توانیم نشت گاز را با دقت بی‌سابقه‌ای، حتی در محیط‌های بزرگ یا پیچیده، تشخیص دهیم. گیرنده‌های بویایی مصنوعی قادر به تشخیص تغییرات کوچک در غلظت گاز هستند و این داده‌ها را به یک سیستم محاسباتی نزدیک به حسگر منتقل می‌کنند که از الگوریتم‌های یادگیری ماشینی برای پیش‌بینی منبع نشت استفاده می‌کند.

شبکه عصبی مصنوعی این سیستم، داده‌های حسگرها را در لحظه تجزیه و تحلیل می‌کند. سیستم مجهز به هوش مصنوعی این پتانسیل را دارد که با نظارت مداوم بر کیفیت هوا در محیط‌های صنعتی، مناطق شهری و حتی ساختمان‌های مسکونی، آن ها را ایمن‌تر کند. این یک گام بزرگ رو به جلو در جلوگیری از خطرات سلامتی درازمدت و حفاظت از محیط زیست است.

 

تولید نانوکامپوزیتی برای تقویت مخازن ذخیره‌سازی هیدروژن

یک استارت‌آپ سوئدی نانوکامپوزیتی تولید کرده که میزان نشت هیدروژن را از مخازن به شدت کاهش داده و در عین حال پارامترهای مربوط به استحکام و کشش در مخازن را به میزان قابل توجهی بهبود می‌دهد.

گرافمچ (Graphmatech) کامپوزیت‌های گرافنی برای افزایش ذخیره‌سازی هیدروژن تولید می‌کند. این استارت آپ سوئدی کامپوزیت‌های AROS پلی‌آمید گرافن خود را به تولید انبوه رسانده است؛ کامپوزیتی که نشت هیدروژن را تا ۸۳ درصد در مقایسه با راه‌حل‌های ذخیره‌سازی تجاری سنتی کاهش می‌دهد.
این مواد تقویت‌شده با گرافن به کاربردهای ذخیره‌سازی و حمل و نقل هیدروژن اختصاص خواهد یافت. گرافمچ انتظار دارد این راه حل تا سال ۲۰۲۷ روی حدود ۱۰۰۰ وسیله نقلیه تجاری سبک و ۵۰۰ وسیله نقلیه تجاری سنگین اجرا شود.

این کامپوزیت گریدهای مختلف پلی آمید را با گرافن ترکیب می‌کند و به طور مؤثر مانع از خروج هیدروژن می‌شود و در عین حال پلاستیک را قوی‌تر می‌کند. علاوه بر این، گرافمچ ۱۰ میلیون کرون (تقریبا ۹۴۹۰۰۰ دلار آمریکا) از آژانس انرژی سوئد برای حمایت از توسعه و استقرار یک خط اکستروژن متحرک در مقیاس پایلوت مدولار برای مواد گرافن پلیمری خود که برای کاربردهای هیدروژن طراحی شده است، دریافت می‌کند.

با کمتر از ۱ میلیون دلار بودجه، این استارت‌آپ اسپین‌آف شده از دانشگاه اوپسالا می‌تواند مخازن تحت فشار نوع IV را برای ذخیره هیدروژن و لوله‌هایی برای حمل و نقل هیدروژن توسعه داده و آن ها را آزمایش کند. هدف این پروژه تأیید خط اکستروژن نوآورانه و مدولار در مقیاس آزمایشی در شرایط عملیاتی کامل است.

این نانوکامپوزیت، نه تنها نشت را تا ۸۳ درصد کاهش می‌دهد، بلکه افزایش ۹۸ درصدی مدول کششی و ۳۸ درصد استحکام نهایی بالاتر را در مقایسه با روش‌های تجاری نشان می‌دهد. علاوه بر این، تنها مقدار کمی (۴ درصد) گرافن می‌تواند نفوذپذیری هیدروژن را تا ۶۸ درصد کاهش دهد، طول کشیدگی را تا ۱۶۰ درصد افزایش دهد و مقاومت ضربه را تا ۱۲ درصد در دمای اتاق افزایش دهد.

موادی که در حال حاضر در مخازن تحت فشار و لوله‌های نوع IV برای ذخیره‌سازی و حمل و نقل استفاده می‌شوند، دارای پتانسیل نشت جدی هیدروژن به جو هستند. در حالی است که این فناوری یک مسیر آسان برای توسعه فناوری هیدروژن فراهم می‌کند و بنابراین به این صنعت کمک شایانی می‌شود تا از لوله‌ها و مخازن تحت فشار بهتر استفاده کند.