Биологический топливный элемент использует реакцию ферментации сахаров, при этом в качестве «отходов» выделяется чистая вода. В рекламных целях и для демонстрации возможностей технологии в одном из экспериментов элемент был наполнен смесью сладких газированных напитков.
При этом лучшие результаты были получены с растворами обычного сахара, глюкозы и несколько хуже – с натуральными соками. Газировки показали наихудший результат. Примечательно, что работы по созданию данного образца финансировались из бюджета Агентства по перспективным оборонным исследованиям, сообщает интернет-портал Daily Tech.
Электролиз наизнанку
Прогресс имплантируемых источников питания, возможно, когда-нибудь приведет к тому, что мы сможем подзаряжать свои мобильники от собственного тела
Если отвлечься от трюков с колой и соками, в сухом остатке получится один из первых биологических топливных элементов (БТЭ), пригодных для практического применения.
До настоящего времени источники питания подобного типа демонстрировали весьма скромные характеристики: при напряжении 0,7 В они обеспечивали ток в несколько микроампер, что достаточно лишь для питания электронных часов или несложного калькулятора. Однако потенциально эта технология может обеспечить энергией разнообразную портативную электронику.
Идея топливного элемента была впервые сформулирована еще 40-е годы XIX века. По сути дела, это вывернутая наизнанку идея электролиза воды. В обычных топливных элементах кислород (из воздуха) и водород подаются с двух сторон от обменной мембраны, разделяющей камеры с двумя электродами.
Мембрана свободно пропускает через себя протоны. На одном электроде водород разделяется на протоны и электроны. Последние не могут пройти через мембрану и достигают противоположной камеры элемента только после прохождения по внешней электрической цепи. Здесь они участвуют в синтезе воды из кислорода и протонов, прошедших через мембрану.
Обе ключевые реакции в топливных элементах поддерживаются катализатором, нанесенным на поверхность электродов. Обычно это платина или металлы платиновой группы. Платиновый катализатор и обменная мембрана – самые дорогие компоненты топливных элементов.
И это одна из причин, сдерживающих их распространение. Кроме того, никто еще не предложил недорогой способ извлечения из воды необходимого для питания элементов водорода. БТЭ имеют неоспоримое преимущество перед обычными – у них отсутствуют мембрана и платинированные электроды.
Тело как электростанция
Известно несколько типов безмембранных биоэлементов, принципы действия которых различаются |
Известно несколько типов безмембранных биоэлементов, принципы действия которых различаются. Общим является использование биологических ферментов, выступающих в качестве катализаторов тех же самых реакций.
Так, в прототипе БТЭ, предложенном профессором Оксфордского университета Кайли Винсент, использованы два недорогих фермента: один – взятый от бактерии (фермент гидрогеназа), а второй – от гриба (лакказа). Каждый электрод покрыт одним из этих двух ферментов.
Поскольку каждый фермент ускоряет именно свою реакцию, данный топливный элемент не нуждается и в мембране, так как два компонента «топлива» – воздух и водород – в нем могут свободно смешиваться.
Еще одна конструкция, которая может найти применение в медицине, разработана группой ученых университета Тохоку во главе с профессором Мацухико Нисидзавой. В ней в качестве топлива используется человеческая кровь. В отличие от большинства ТЭ, содержащих металлические части, медиатор электронов этой системы состоит из витамина K3, который присутствует в организме изначально, что позволяет использовать данное решение при создании медицинских имплантатов. Батарея размером с небольшую монетку способна выдавать мощность 0,2 милливатта, достаточную, например, для питания устройства, измеряющего уровень сахара в крови пациента и передающего полученную информацию во внешний мир.
Как следует из сообщения Daily Tech, в представленном американскими учеными БТЭ использован иной принцип: получение водорода в самом элементе с помощью живых бактерий (скорее всего, это живущие в почве металлобактерии Shewanella oneidensis). Разлагаемая микроорганизмами жидкость содержит ферменты, которые преобразовывают топливо (сахар, хотя это могут быть и другие углеводы) в водород и окислы углерода.
Эта технология пока считается наиболее перспективной при создании БТЭ с повышенной энергоотдачей. Ну а прогресс имплантируемых источников питания, возможно, когда-нибудь приведет к тому, что мы сможем подзаряжать свои мобильники от собственного тела. Если, конечно, к тому времени телефоны сами не превратятся в имплантаты.