αθώς η παγκόσμια ανάγκη για μεγάλες ποσότητες φορητής ενέργειας συνεχίζει να εντείνεται με διαρκώς αυξανόμενο ρυθμό, πολλοί παράγοντες της καινοτομίας αγωνίζονται να αντικαταστήσουν την τρέχουσα τεχνολογία μπαταριών με κάτι καλύτερο.
Από τον Shawn Johnson/Gizmodo
Ο Ιταλός φυσικός Alessandro Volta χρησιμοποίησε θεμελιώδεις ηλεκτροχημικές θεωρίες όταν εφηύρε την πρώτη μπαταρία το 1800. Ουσιαστικά, μια χημική αντίδραση προκύπτει από τη φυσική σύνδεση δύο διαφορετικών υλικών, συνήθως μετάλλων, που έχει ως αποτέλεσμα τη ροή ηλεκτρονίων από το ένα υλικό στο άλλο. Αυτό το ρεύμα ηλεκτρονίων αντιπροσωπεύει τη φορητή ενέργεια που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.
...Τα πρώτα υλικά που χρησιμοποιούσαν οι άνθρωποι για την κατασκευή μπαταριών ήταν ο χαλκός και ο ψευδάργυρος. Οι καλύτερες μπαταρίες σήμερα –αυτές που παράγουν την υψηλότερη ισχύ εξόδου στο μικρότερο δυνατό μέγεθος– συνδυάζουν το λίθιο με μία από τις πολλές διαφορετικές μεταλλικές ενώσεις. Υπήρξαν συνεχείς βελτιώσεις στο πέρασμα των αιώνων, αλλά οι σύγχρονες μπαταρίες βασίζονται σε μια στρατηγική παρόμοια με εκείνη του Volta: Τα υλικά συνδυάζονται μεταξύ τους με τέτοιο τρόπο που να μπορούν να πυροδοτήσουν μια ηλεκτροχημική αντίδραση και να απελευθερώσουν τα ηλεκτρόνια που παράγονται.
Αλλά όπως περιγράφω στο βιβλίο μου «Spark: The Life of Electricity and the Electricity of Life», πριν οι τεχνητές μπαταρίες χρησιμοποιήσουν ηλεκτρικό ρεύμα για τη φόρτιση τους, ηλεκτροφόρα ψάρια, όπως οι ηλεκτροφόρες ακτίνες αλμυρού νερού (torpedo torpedo), τα διάφορα είδη ηλεκτροφόρων χελιών γλυκού νερού της Μεσογείου και ιδιαίτερα της Νότιας Αμερικής (τάξη gymnotiformes) ήταν γνωστό ότι παράγουν ηλεκτρισμό εκπληκτικών αναλογιών. Στην πραγματικότητα, τα ηλεκτροφόρα ψάρια ήταν εκείνα που ενέπνευσαν τον Volta προκειμένου να πραγματοποιήσει την αρχική του έρευνα που τελικά οδήγησε στις μπαταρίες του, και οι σημερινοί επιστήμονες μπαταριών εξακολουθούν να αναζητούν ιδέες σε αυτά τα ηλεκτροφόρα ζώα.
Πριν από την μπαταρία του Volta, ο μόνος τρόπος για τους ανθρώπους να παράγουν ηλεκτρισμό ήταν να τρίβουν διαφορετικά υλικά μεταξύ τους, συνήθως μετάξι σε γυαλί, και να λαμβάνουν τον στατικό ηλεκτρισμό που προέκυπτε. Αυτός δεν ήταν ούτε εύκολος ούτε πρακτικός τρόπος παραγωγής χρήσιμης ηλεκτρικής ενέργειας.
Ο Volta γνώριζε ότι τα ηλεκτροφόρα ψάρια είχαν ένα εσωτερικό όργανο αφιερωμένο ειδικά στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Σκέφτηκε ότι αν μπορούσε να μιμηθεί τη λειτουργία του, θα μπορούσε να βρει έναν νέο τρόπο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας.
Το ηλεκτρικό όργανο του ψαριού αποτελείται από μεγάλες στοίβες κυττάρων που μοιάζουν με μασούρι μεταλλικών νομισμάτων. Έτσι, ο Volta έκοψε δίσκους που έμοιαζαν με νομίσματα από διαφορετικά υλικά και άρχισε να τα στοιβάζει με διαφορετική σειρά, για να δει αν θα μπορούσε να βρει έναν συνδυασμό ο οποίος θα παρήγαγε ηλεκτρισμό. Αυτά τα πειράματα στοίβαξης συνέχισαν να αποδίδουν αρνητικά αποτελέσματα έως ότου επιχείρησε να ζευγαρώσει χάλκινους δίσκους με ψευδάργυρο, χωρίζοντας όμως τα στοιβαγμένα ζεύγη με χάρτινους δίσκους εμποτισμένους σε αλμυρό νερό.
Αυτή η αλληλουχία χαλκού-ψευδάργυρου-χαρτιού παρήγαγε τελικά ηλεκτρισμό και η ισχύς εξόδου ήταν ανάλογη με το ύψος του σωρού. Ο Volta σκέφτηκε ότι είχε αποκαλύψει το μυστήριο του τρόπου με τον οποίο τα χέλια παράγουν τον ηλεκτρισμό τους και ότι είχε δημιουργήσει μια τεχνητή εκδοχή του ηλεκτρικού οργάνου του ψαριού, οπότε αρχικά ονόμασε την ανακάλυψή του «τεχνητό ηλεκτρικό όργανο». Αλλά δεν ήταν.
Ηλεκτρίζουν πραγματικά τα χέλια
Οι επιστήμονες γνωρίζουν σήμερα ότι οι ηλεκτροχημικές αντιδράσεις μεταξύ των διαφορετικών υλικών που ανακάλυψε ο Volta δεν έχουν καμία σχέση με τον τρόπο που ένα ηλεκτρικό χέλι παράγει την ηλεκτρική του ενέργεια. Αντίθετα, το χέλι χρησιμοποιεί μια προσέγγιση παρόμοια με τον τρόπο που τα νευρικά μας κύτταρα παράγουν τα ηλεκτρικά τους σήματα, αλλά σε πολύ μεγαλύτερη κλίμακα.
Εξειδικευμένα κύτταρα μέσα στο ηλεκτρικό όργανο του χελιού αντλούν ιόντα σε ένα ημιπερατό φράγμα μεμβράνης για να δημιουργήσουν μια διαφορά ηλεκτρικού φορτίου μεταξύ του εσωτερικού και του εξωτερικού της μεμβράνης. Όταν οι μικροσκοπικές πύλες στη μεμβράνη ανοίγουν, η ταχεία ροή ιόντων από τη μια πλευρά της μεμβράνης στην άλλη δημιουργεί ηλεκτρικό ρεύμα. Το χέλι είναι σε θέση να ανοίξει όλες τις πύλες της μεμβράνης του ταυτόχρονα για να δημιουργήσει ένα τεράστιο ηλεκτροσόκ, το οποίο απελευθερώνει με στοχευμένο τρόπο στο θήραμά του.
Ωστόσο, τα ηλεκτρικά χέλια δεν σκοτώνουν αμέσως τη λεία τους. Την αναισθητοποιούν ηλεκτρικά πριν επιτεθούν. Ένα χέλι μπορεί να παράγει εκατοντάδες βολτ ηλεκτρικής ενέργειας, αλλά το ρεύμα που εξάγει είναι μικρότερο προκειμένου να μη σκοτώσει το θύμα του. Κάθε ηλεκτρικός παλμός από ένα χέλι διαρκεί μόλις δύο χιλιοστά του δευτερολέπτου και αποδίδει λιγότερο από 1 amp. Αυτό είναι μόλις το 5% της συνολικής έντασης ρεύματος που παράγει.
Πρόκειται για κάτι παρόμοιο με το πώς λειτουργούν οι ηλεκτρικοί φράκτες, παρέχοντας πολύ σύντομους παλμούς ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής τάσης, αλλά με πολύ μικρότερη ένταση ρεύματος. Έτσι σοκάρουν, αλλά δεν σκοτώνουν αρκούδες ή άλλα ζώα εισβολείς που προσπαθούν να τους περάσουν. Κάτι παρόμοιο είναι και το σύγχρονο όπλο ηλεκτροσόκ taser, το οποίο λειτουργεί μεταδίδοντας γρήγορα έναν παλμό εξαιρετικά υψηλής τάσης (περίπου 50.000 βολτ) που μεταφέρει πολύ μικρή ένταση ρεύματος (μόλις μερικά χιλιοστά αμπέρ).
Σύγχρονες προσπάθειες μίμησης των χελιών
Όπως ο Volta, ορισμένοι σύγχρονοι ηλεκτρομηχανολόγοι που θέλουν να αντικαταστήσουν την τεχνολογία των μπαταριών, βρίσκουν έμπνευσή στα ηλεκτροφόρα χέλια.
Μία ομάδα επιστημόνων από τις Ηνωμένες Πολιτείες και την Ελβετία εργάζεται επί του παρόντος σε έναν νέο τύπο μπαταρίας εμπνευσμένο από τα χέλια. Οραματίζονται ότι η μαλακή και ευέλικτη μπαταρία τους θα μπορούσε κάποια μέρα να είναι χρήσιμη για την τροφοδοσία ιατρικών εμφυτευμάτων και εσωτερικών ρομπότ. Όμως η ομάδα παραδέχεται ότι έχει πολύ δρόμο μπροστά της. «Τα ηλεκτρικά όργανα στα χέλια είναι απίστευτα εξελιγμένα. Είναι πολύ καλύτερα από εμάς στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας», ανέφερε ο Michael Meyer, μέλος της ομάδας από το Πανεπιστήμιο του Fribourg. Έτσι, η έρευνα για το χέλι συνεχίζεται.
Το 2019, το Νόμπελ Χημείας απονεμήθηκε σε τρεις επιστήμονες που ανέπτυξαν την μπαταρία ιόντων λιθίου. Παρουσιάζοντας το βραβείο, η Βασιλική Σουηδική Ακαδημία Επιστημών τόνισε ότι το έργο των βραβευθέντων «έθεσε τα θεμέλια για μια “ασύρματη” κοινωνία χωρίς ορυκτά καύσιμα».
Η έννοια του «ασύρματου» («wireless») είναι σίγουρα πραγματικότητα, καθώς οι μπαταρίες ιόντων λιθίου τροφοδοτούν πλέον σχεδόν όλες τις ασύρματες συσκευές χειρός. Ωστόσο, θα πρέπει να περιμένουμε αρκετό καιρό ακόμα για να δούμε μία «κοινωνία χωρίς ορυκτά καύσιμα», καθώς οι σημερινές μπαταρίες ιόντων λιθίου συχνά επαναφορτίζονται με ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από την καύση ορυκτών καυσίμων.
Αργότερα το ίδιο έτος, ωστόσο, επιστήμονες στο Ινστιτούτο Smithsonian ανακοίνωσαν την ανακάλυψη ενός νέου νοτιοαμερικανικού είδους ηλεκτροφόρου χελιού. Πρόκειται για την ισχυρότερη γνωστή βιοηλεκτρική γεννήτρια στη Γη. Οι ερευνητές κατέγραψαν την ηλεκτρική εκφόρτιση του μεμονωμένου χελιού στα 860 βολτ, πολύ πάνω από το προηγούμενο είδος χελιού που κατείχε το ρεκόρ, του electrophorus electricus, το οποίο ήταν μετρημένο στα 650 βολτ και είχε 200 φορές τη μέγιστη τάση μιας μπαταρίας ιόντων λιθίου (4,2 βολτ).
Ακριβώς όπως εμείς οι άνθρωποι προσπαθούμε να συγχαρούμε τους εαυτούς μας για το μεγαλείο της τελευταίας φορητής πηγής ενέργειας μας, τα ηλεκτρικά χέλια συνεχίζουν να μας ταπεινώνουν με τη δική τους.
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου