Necesitamos definir primero lo que es la vida?
Respuesta: La vida se puede definir como la capacidad de convertir una fuente de energía en orden (entropía negativa o estructuras de baja energía libre que almacenan energía e información). En nuestro sistema solar, la energía del sol se convierte en estructuras ordenadas tipo Glucosa / Celulosa con carbono como columna vertebral. Asumo que las formas de vida basadas en carbono son estequiométricamente equivalentes a la glucosa, esencialmente CH2O que se convierte en CO2 + H2O en procesos de intercambio. El proceso es impulsado por recolectores de energía solar basados en carbono. También se utilizan plantas fotosintéticas que convierten el 2% de la energía solar incidente en biomasa.
Eficiencia fotosintética
El ecosistema vivo basado en el carbono es posible porque las plantas fotosintéticas pueden convertir la luz del Sol + CO2 en moléculas orgánicas y moléculas orgánicas + O2 en CO2 entre los diversos sumideros de carbono en la Tierra, el CO2 es el estado de carbono más desordenado. Basado en la vida basada en el carbono del ciclo del carbono (en tierra), respira 3 KJ / g de carbono vivo / año. La vida del Carbono acuoso interno (definido como vida aeróbica) requiere 500 KJ / g de carbono vivo, la mayor parte del cual se gasta para asegurar el oxígeno debido a la baja difusión y baja solubilidad del O2 en el agua una de las principales razones por las cuales la vida el medio ambiente ahora se ha trasladado a la tierra. El carbono vivo típicamente incorpora una energía libre de +32 KJ / g de carbono vivo. Basado en 2% de energía a eficiencia de biomasa, la Tierra como criatura viviente ha fijado biomasa de carbono de 650 billones de toneladas medida como carbono vivo en los últimos 5 billones de años, la mayoría de los cuales ha sucedido en los últimos 500 millones de años después de la primera las plantas se formaron. La Tierra también ha agregado casi 2.000 millones de toneladas de carbono muerto en diversas reservas como petróleo, carbón, humus, etc. Así que en total se han agregado aproximadamente 3000 billones de toneladas de carbono como moléculas similares a la vida. Esto implica que la Tierra ha agregado 6000 toneladas de la vida del carbono por año, en promedio, considerando la respiración, la glaciación, las extinciones y otros altibajos. La vida completa alrededor de 42 mil millones de toneladas de carbono entre el Ecosistema Terrestre y la Atmósfera que soporta 650 mil millones de toneladas de carbono vivo.
Cronología de la fotosíntesis en la Tierra
Podemos suponer que se puede hacer algo similar a la vida del carbono utilizando Si como columna vertebral. A partir de hoy, los paneles solares pueden convertir la luz solar en electricidad (emulando la fotosíntesis), sin embargo, la vida basada en Si necesitaría una molécula similar a la glucosa que es la intermedia entre SIO2 y Si. Esta energía que teóricamente se puede usar para convertir SiO2 (arena) en silicio.
Por el contrario, suponiendo que las formas de vida basadas en silicio serán estequiométricamente equivalentes a Si, la energía libre incorporada es de 31 KJ / g para intercambiarse con SiO2 como sumidero de molécula. Sin embargo, si miramos, el costo de energía actual para fabricar chips de silicio es de 36 MJ / g según la tecnología de fabricación moderna, que es casi 1000 veces mayor de lo que debería ser según los requisitos de energía libre, que es de 31 KJ / g. El motivo de esta gran discrepancia es el requisito de Si de alta pureza en aplicaciones PV / semiconductores. En contraste, la vida del carbono puede funcionar a niveles de pureza mucho más bajos que ~ CH2O.
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La gran ventaja de Si es que los recolectores de energía solar a base de silicio / células fotovoltaicas tienen una eficiencia más alta en torno al 10% en comparación con la eficiencia del cosegador de energía de carbono del 2%. Sin embargo, dado que la energía requerida para fijar SiO2 como silicio vivo (que supongo será de semiconductor / grado PV) es casi 1000 veces mayor, la velocidad del sistema de auto-replicación basado en Si es menor que el sistema de auto-replicación basado en C. Además, la cosecha de energía Si toma lugar como la electricidad que es difícil de almacenar y recuperar o convertir a otra masa viviente de Si, aunque la electricidad tiene otras ventajas de facilidad de movilidad y transportabilidad. A día de hoy estamos produciendo y consumiendo aproximadamente 1,5 millones de toneladas de Si (grados impuros) con aproximadamente ~ 10% formando grado PV o grado superior. Eso es 15000 toneladas de energía que cosecha el Si de calidad de vida por año, la mayoría de los cuales no pueden reciclarse para formar otro SI de vida y debe hacerse desde el principio. En contraste, las formas de vida del carbono son consumidas rutinariamente por otras formas de vida del carbono para reincorporar las moléculas básicas en nuevos marcos y ciclos de vida basados en el carbono. 42 mil millones de toneladas de carbono por año.
Hasta que Si pueda formar un esquema eficiente de reciclaje y auto ensamblaje, el dominio de la vida del carbono es inevitable. Sin embargo, si los nuevos sistemas de tecnología pueden evolucionar, crear un sistema impuro de tipo de Si impuro a bajo costo de energía, entonces veremos un cambio hacia formas de vida basadas en silicio.
