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问题

目前有没有利用生物体或以生物体为灵感来源的光能/热能利用方法？如果没有的话是什么限制了这方面发展呢？

回答
当然，我们人类一直以来都在从大自然中汲取智慧，生命体更是奥秘无穷的宝库。在利用光能和热能方面，生物体展现出的精妙设计，确实为我们提供了无数灵感。

生物体中的光能利用：

最直观、也最普遍的例子当然是光合作用。植物、藻类和某些细菌通过叶绿素等色素，高效地捕捉太阳光中的能量，将其转化为化学能，储存在糖类分子中。这个过程不仅是地球上绝大多数生命得以延续的基石，其能量转换效率和机理也一直是科学家们研究的热点。

叶绿素的分子结构与光捕获： 叶绿素的独特结构使其能够吸收特定波长的光，并将能量传递给反应中心，启动光化学反应。科学家们正在尝试模仿这种分子级别的光捕获机制，设计出更高效的人工光合作用系统，例如用于太阳能电池的染料敏化太阳能电池，或是模拟光合作用生产氢气和碳氢化合物。
集光复合体（Antenna Complexes）： 植物叶片中存在着集光复合体，它们像“天线”一样，能够收集更广泛的光谱范围内的光，并将能量高效地传递给反应中心。这些复合体的设计原理为我们开发更宽光谱响应的太阳能收集器提供了思路。

除了光合作用，还有一些生物体在特定环境下利用光能：

生物发光（Bioluminescence）： 萤火虫、某些海洋生物（如水母、鱼类）通过化学反应产生光，这是一种将化学能转化为光能的过程。虽然不是直接利用外部光能，但其高效的光产生机制也为我们设计低能耗的发光器件提供了灵感，例如生物发光灯具。
视觉感光： 动物的眼睛是极其精妙的光能探测器。视网膜上的视杆细胞和视锥细胞中的感光色素（如视紫红质）在接收到光子后会发生构象变化，触发一系列信号，最终在大脑中形成视觉。对这些光信号转导机制的研究，有助于我们开发更灵敏、更宽动态范围的光传感器。

生物体中的热能利用：

生物体在热能的利用和调控方面，同样展现出令人惊叹的能力。虽然不如光能利用那样直接和普遍，但依然有值得关注的例子：

产热（Thermogenesis）： 一些生物，特别是恒温动物，能够通过新陈代谢过程产生热量来维持体温。例如，在寒冷环境中，棕色脂肪组织会通过解偶联线粒体的氧化磷酸化来释放能量以产生热量，而不是合成ATP。这种不依赖于ATP合成而是直接产热的机制，对于开发高效的能量转换材料和技术具有借鉴意义。
生物电（Bioelectricity）与温差发电： 尽管不是直接利用外部热能，但生物体内也存在由离子跨膜流动产生的电化学势，这与热电效应有一定的相似性。某些生物，例如电鳗，能够产生强大的电流，这虽然不是通过温差产生的，但其能量储存和释放机制也可能与热能转化过程中的某些物理化学原理有关联。
热传导与保温： 动物的皮毛、羽毛、脂肪层等结构，都是天然的保温材料，它们通过减少热量的散失来维持体温。这些结构设计可以启发我们开发更有效的隔热材料，用于建筑、服装或能源设备。
高温环境下的生存策略： 一些生活在热泉、火山附近的微生物（嗜热菌）能够在极高的温度下生存和代谢。它们体内的酶和细胞结构具有特殊的稳定性，能够抵抗高温。对这些生物体分子机制的研究，可能为我们开发耐高温的材料和生物催化剂提供思路，这间接与热能利用相关。

目前的发展和存在的限制：

目前，我们确实已经在利用生物体或以生物体为灵感来源的光能/热能利用方面取得了一些进展，例如：

太阳能电池： 染料敏化太阳能电池（DSSC）模仿了植物光合作用的光捕获和电荷分离过程。
生物燃料： 利用藻类或细菌进行生物发酵，生产生物乙醇或生物柴油，这是将太阳能转化为化学能储存起来。
生物传感器： 基于生物分子（如酶、抗体）对特定物质或能量变化的响应，开发高灵敏度的传感器。
仿生隔热材料： 受动物皮毛或羽毛结构的启发，开发高性能的隔热材料。

然而，在更深入、更广泛地利用生物体或其设计原理方面，仍然存在一些关键的限制：

1. 能量转换效率的瓶颈：
生物体内部的复杂性： 生物体内的光合作用和产热过程，虽然高效，但往往涉及复杂的酶促反应和多步骤的能量传递。将这些过程完全模拟并应用于工程技术，需要克服巨大的复杂性。例如，人工光合作用系统在能量转换效率上，往往还难以完全媲美自然界。
效率与稳定性的权衡： 生物体在追求能量效率的同时，也需要保证整体的稳定性，有时这会限制其在极端条件下的性能。而工程应用往往需要突破自然界的限制，但这可能会牺牲一部分效率或稳定性。

2. 材料的稳定性和寿命：
生物材料的易降解性： 大部分生物分子（如蛋白质、核酸）在环境中的稳定性有限，容易受到光照、温度、湿度等因素的影响而降解。这使得直接将生物材料用于长期能源利用设备面临挑战。
人工模拟的耐久性： 即使我们成功模仿了生物体的某种功能，用合成材料实现时，其耐久性和长期运行的稳定性往往是关键问题。例如，人工光合作用的催化剂可能会失活，染料敏化太阳能电池的染料也可能发生光漂白。

3. 规模化生产和成本：
生物体的培养和维护： 如果直接利用生物体（如藻类生产生物燃料），其大规模培养和维护成本可能很高，且容易受到病虫害或环境变化的影响。
仿生技术的工程化： 将精密的生物结构和过程转化为可大规模生产的工程技术，需要克服复杂的工程化和制造成本问题。例如，制造具有复杂三维结构的仿生薄膜，其成本可能会很高。

4. 对复杂机理的理解不足：
“黑箱”效应： 尽管我们对光合作用等过程有了深入的了解，但某些环节（如能量传递、激子分离）的量子力学细节和整体协同效应，我们 still 还有未完全揭示的秘密。对于热能利用方面，生物体对内部温度的精细调控机制，也存在许多尚未完全理解的方面。
多学科交叉的难度： 生物学、化学、物理学、材料科学、工程学等多个学科的深度交叉融合，才能真正实现从生物体到工程技术的转化。这种多学科的合作和知识整合，本身就是一项巨大的挑战。

5. 能源需求的匹配：
生物体功能的特异性： 生物体的某些功能是为了满足其特定的生存需求而演化的，例如生物发光是为了吸引配偶或捕食，这与我们大规模获取能量的需求并不完全一致。将这些特异性功能转化为通用能源技术，需要进行重大的改造和优化。

总而言之，生物体在光能和热能的利用方面，为我们提供了无尽的灵感，从分子到宏观结构，都蕴含着高效、精妙的解决方案。虽然我们在模仿和借鉴方面已经取得了一些成就，但生物体的复杂性、材料的稳定性、规模化生产的成本以及我们对某些机理理解的不足，是当前限制这些领域进一步发展的关键因素。克服这些挑战，需要科学家和工程师们持续的探索和创新，跨越学科界限，才能真正将大自然的智慧转化为驱动人类社会发展的强大动力。

网友意见

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有。菜。目前，人工光合作用的效率难以跟光伏、光热手段竞争[1]，市面上还没有实用的产品。化能合成方面，农业和基于转基因微生物的发酵工业往往比整一堆机器从头合成更便宜。

2020 年，上海科技大学物质科学与技术学院教授林柏霖课题组通过新型电极的构造和系统工程优化，首次开发出了太阳能到化学能的能量转换效率超过 20% 的二氧化碳还原人工光合作用系统。林柏霖表示，通过定量系统工程分析发现，该电极如果与目前最先进的太阳能电池搭配，可以充分利用太阳能电池的光电流，预计太阳能到化学能的最高转换效率约为 25%[2]。

直接烧植物比这个省事。2021 年 3 月，一些美国环保人士怒斥欧洲的所谓“生态友好型经济”依赖燃烧从美国进口的木材，“燃烧木头给他们提供的发电量多于风能与太阳能的总和”。他们说，燃烧生物质排放的碳多于燃烧同等产热量的煤炭，而且“太阳能电池板的发电量，约为燃烧同面积生物质能源的发电量的一百倍”。如果要让生物质多负担 2% 的全球能源供应量，全球木材砍伐量就要翻倍。

  • 美国东南部的木材产量占世界的六分之一。美国南方目前有二十三家大型木材颗粒加工厂，砍伐的森林被粉碎成木屑、压成胶囊大小的颗粒、装船运往欧洲——看起来，在各种虚构概念的包装下，北美在做很传统的事情。
  • 美国国会的预算法案认为，只要美国的森林资源总量稳定或还在增加，美国生物质能源产业带来的净排放量就不会超过零。为此，他们大面积种植速生林，并比造纸行业更快地轮番砍伐。从 2007 年到 2017 年，美国的森林覆盖率实际上增加了约百分之二。

植物、蓝菌等生物通过光合作用将太阳能转换成电势能，驱动一系列生化反应，将二氧化碳和水转化成含碳的能量载体和氧气，其化学反应过程决定了 C3 植物的理论极限效率约 4.6%，C4 植物的理论极限效率约 6%，单细胞光合生物的理论极限效率约 8% 到 13%。

现实中的光合生物受到地球运转带来的太阳照射变化、天气、植物体内的环境、细胞的承受力、自身随机发生的光呼吸等影响，植物的实际光合作用效率多在 0.3% 到 0.5%以内，只有极少数物种能达到 1%；珊瑚共生虫黄藻的光合作用效率在 3% 到 4%，这依赖珊瑚组织和骨骼的光学特性。

  • 基因工程处理光呼吸发生率、通入加压二氧化碳之类手段已经试过了，能达到的最大增幅根据植物物种而异，从未接近过理论极限，而且二氧化碳浓度不是越高越好，光合作用速率也要考虑活性氧对细胞的损害。
  • 光合生物体内的温度和离子浓度受细胞的承受力限制，不能追求理论极限。
  • 也可以参考化能合成生物的情况：即便是海洋化学合成生物体内极端的环境，对其化学合成效率的提升也十分有限。

市面上可以买到的太阳能电池的光能到电能转换效率在 20% 到 30%，实验室里有自然光下 39%、聚光下 46% 到 50% 的品种尚未推广[3]。已经实际建设的聚光光伏发电系统的峰值效率可以达到 40% 到 50%。

对于现实中的太阳能设备，由于地球运转带来的太阳照射变化、天气等影响因素，平均转换效率不会维持在上述最大效率。目前，太阳能发电塔的年净太阳能发电效率为 7% 到 20％。

在这之外，早已有多个彼此独立的研究团队制造了接受太阳光照射后立即电解水的装置，光电化学电池。这类设备将太阳光能转换为化学能的效率在二十世纪末就超过了 5%，在 2017 年达到了 16.2％，目前还不值得商用——其主要问题是稳定性不足，在 2020 年才达到 1000 小时稳定运行、最高效率14%。

在太阳能光热发电方面，市面上可以买到碟式反射镜聚光的碟式斯特林热机，效率约 30%，一些装置在测试中达到过 31.25% 到 34% 的峰值效率。现实中运行的碟式斯特林热机的年平均效率为 12% 到 25％。

  • 太阳能热电联产的能量转换效率可以达到 60% 到 70%。

找不到资料说明你查资料的方法不适当。你可以试试知乎站内搜索。

人类业已掌握能量效率 40% 到 60% 的燃料电池，能量效率 85% 的热电联产燃料电池，发电效率 45% 到 48% 的超超临界火电机组，发电效率 90% 以上的水电机组。

参考

  1. ^ 即使要储存能量日后再用，好一点的电解水装置有75%到88%的效率，你把太阳能热电联产那些电力接到电解水装置上产氢都会完爆现有的人工光合作用，所以人工光合作用不达到更高效率就不值得使用。
  2. ^ 相关成果于2020年8月5日在线发表于《材料化学杂志A》。https://doi.org/10.1039/D0TA06714H
  3. ^Geisz, J.F., France, R.M., Schulte, K.L. et al. Six-junction III–V solar cells with 47.1% conversion efficiency under 143 Suns concentration. Nat Energy 5, 326–335 (2020).  https://doi.org/10.1038/s41560-020-0598-5

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