L'utilisation biologique du rayonnement solaire
L'utilisation biologique du rayonnement solaire
Exercice : L’utilisation biologique du rayonnement solaire
Énoncé
Il est possible de produire de l’électricité en installant des électrodes dans un sol gorgé d’eau où poussent des plantes telles que le riz. Cette technologie permet de convertir l’énergie chimique issue de la photosynthèse en énergie électrique. Le rendement de ce dispositif reste pour le moment faible mais cela pourrait à terme transformer les rizières en unité de production électrique.
Document 1 : étude expérimentale des échanges gazeux d’une plante chlorophyllienne
On mesure trois paramètres environnementaux d’une enceinte fermée hermétiquement et contenant un végétal chlorophyllien : la teneur en dioxygène (O2) – courbe du haut ; la teneur en dioxyde de carbone (CO2) – courbe du bas ; la luminosité reçue par l’enceinte.
Question
1. Indiquer si chacune des trois propositions suivantes est juste ou fausse. Justifier à l’aide de données chiffrées.
– À la lumière, la teneur en O2 augmente dans l’enceinte.
– À la lumière, la teneur en CO2 augmente dans l’enceinte.
– La luminosité a un effet sur l’échange gazeux réalisé par le végétal.
Document 2 : identification des conditions de la synthèse d’amidon par les feuilles
Expérience : Sur un pied de géranium panaché*, une partie de quelques feuilles est masquée par du papier noir et est vivement éclairée pendant un certain temps.
Après plusieurs heures, l’une des feuilles est débarrassée de son cache puis décolorée par de l’éthanol bouillant.
La feuille est ensuite plongée dans une boîte de pétri contenant de l’eau iodée. L’eau iodée est un indicateur de couleur jaune qui est utilisé pour mettre en évidence la présence d’un glucide, l’amidon, au contact duquel elle devient bleu foncé.
*une feuille panachée n’est pas totalement chlorophyllienne ; l’extrémité de la feuille est blanche.
Question
2. En utilisant vos connaissances, indiquer les résultats attendus dans chacune des quatre zones de la feuille.
Document 3 : photosynthèse, respiration et fonctionnement d’une plante
La photosynthèse est un métabolisme qui se déroule dans les cellules chlorophyliennes. La respiration cellulaire est un métabolisme se déroulant dans toutes les cellules et qui poduit un type de molécule permettant des transferts d’énergie et ainsi le fonctionnement cellulaire : l’ATO (adénosine tri-phosphate).
Document 4 : Représentation schématique des flux d’énergie et de matière organique (biomasse) dans un écosystème
Figure 1 : une pyramide énergétique dans un écosystème terrestre Les différents maillons d’un réseau trophique sont positionnés verticalement en fonction de leur place fonctionnelle (des producteurs primaires à la base aux consommateurs tertiaires en haut). Dans cet exemple d’écosystème, environ 10 % de l’énergie disponible à chaque niveau trophique sont convertis en nouvelle biomasse au niveau suivant, ce qui représente une efficacité trophique de 10 %.
Figure 2 : la répartition de l’énergie dans un niveau de chaîne trophique. Moins de 17 % de la nourriture d’une chenille sert réellement à la production de biomasse (croissance).
Question
3. L’énergie nécessaire à la production de biomasse par les animaux provient indirectement du Soleil. Justifier cette affirmation en s’appuyant sur les informations extraites des documents 3 et 4 ainsi que de vos connaissances.
La conversion de l'énergie chimique en énergie électrique
Exercice : La conversion de l’énergie chimique en énergie électrique
Énoncé
La plante utilise la photosynthèse pour produire de la matière organique. Autour des racines vivent de très nombreux microorganismes qui se nourrissent de la matière organique issue du végétal. La réaction chimique correspondante peut être exploitée au sein d’une pile comportant deux électrodes dont l’une est positionnée près de la racine de la plante et l’autre en est plus éloignée. Cette pile peut délivrer un courant électrique qui transporte de l’énergie. On admet que la puissance électrique fournie par une « pile végétale » de cette sorte est proportionnelle à la surface que les plantes occupent sur le sol.
Questions
1. L’énergie solaire moyenne reçue en une année par unité de surface est égale à $10^7 J$ et on peut estimer en moyenne qu’une plante doit recevoir $20 times 10^6 J$ d’énergie solaire pour produire 1 kg de matière sèche.
Montrer que 1 m² de végétal peut produire théoriquement 0.5 kg de matière organique au cours d’une année.
2. On peut estimer qu’une « pile végétale » de 1 m² de surface fournit une puissance de 3 W et que l’énergie moyenne nécessaire à la recharge d’un smartphone est de 10 Wh. Indications : le Watt-heure (Wh) est l’énergie correspondant à une puissance d’un Watt fournie pendant une durée d’une heure.
a. Calculer la durée de recharge d’un smartphone avec 1 m² de surface de « pile végétale ».
On peut estimer qu’une « pile végétale » de 1 m² de surface fournit une puissance de 3 W et que l’énergie moyenne nécessaire à la recharge d’un smartphone est de 10 Wh.L’énergie moyenne consommée par une famille pendant une année est de 3 000 kWh.
b. Calculer la surface nécessaire en m² de surface de « pile végétale » pour fournir l’énergie annuelle d’une famille.
3. Indiquer un intérêt et une limite au procédé de la « pile végétale ».